Matériaux électrochromes (EC), parmi les composants technologiques « verts » clés pour la durabilité et les économies d'énergie, ont suscité l'intérêt du monde universitaire et de l'industrie. Oxyde de tungstène (WO 3 ) est un matériau EC largement étudié qui est largement utilisé dans les fenêtres intelligentes d'aujourd'hui. Une approche EC populaire est l'insertion réversible de petits ions dans les matériaux d'électrode. Films minces de WO 3 peuvent donc changer leur couleur du bleu clair au bleu profond en ajustant l'ion lithium (Li ⁺ ) insertion sous une polarisation basse tension. Comme les opérations à basse tension sont bénéfiques pour une multitude d'applications, Li ⁺ WO intercalé 3 (Li X WO 3 ) est une option viable pour les applications d'appareils EC.

Cependant, Li ⁺ les insertions ne sont pas toujours réversibles. Après plusieurs cycles, ces ions s'agrègent dans le film et érodent l'effet électrochrome. Cette, à son tour, affecte la modulation optique et la durabilité à long terme, ces deux éléments sont essentiels pour le déploiement pratique des dispositifs EC. Les insertions résultent en Li réversible ⁺ , Li irréversible 2 WO 4 formation, et irréversible Li ⁺ piégeage. La « formation irréversible de Li 2 WO 4 " dégrade l'électrochromisme, et le Li ⁺ « piégés » dans les sites profonds rend les ions immobiles, entraînant l'irréversibilité. En substance, il est essentiel d'évaluer les implications des deux types d'irréversibilité.

Dans une étude récente publiée dans Sciences appliquées des surfaces , des scientifiques de l'Université des sciences de Tokyo et de l'Institut national des sciences des matériaux (NIMS), Japon, a collaboré pour évaluer quantitativement l'irréversibilité de Li X WO 3 Films minces. Discuter des principales préoccupations que l'étude aborde, Professeur agrégé Tohru Higuchi de l'Université des sciences de Tokyo, qui a dirigé l'étude, observe « Deux questions cruciales se posent :d'abord, est irréversible Li 2 WO 4 formation différente de Li irréversible ⁺ piégeage ? Seconde, ces éléments irréversibles peuvent-ils coexister ?", ajoute-t-il, « Les mesures conventionnelles sont incapables de différencier les deux composantes irréversibles. En conséquence, nous avons mené un examen quantitatif pour offrir des réponses solides à ces questions."

Les scientifiques ont mis au point une méthode d'évaluation quantitative qui combine la spectroscopie photoélectronique à rayons X durs in situ (HAXPES) et des mesures électrochimiques. HAXPES est utilisé pour étudier les interfaces enterrées, tandis que des tests électrochimiques sont utilisés pour examiner les propriétés de corrosion. L'intercalation de Li ⁺ entraîne une réaction d'oxydoréduction qui modifie l'état d'oxydation des ions tungstène (W) de W ⁶⁺ à W ⁵⁺ . Sur la base de ce changement, HAXPES peut évaluer « Li réversible ⁺ " et " Li irréversible ⁺ piégeage. » Cependant, évaluer « Li irréversible 2 WO 4 formation" en utilisant HAXPES est un défi. Dr. Takashi Tsuchiya, chercheur principal au NIMS et co-auteur de l'étude, explique pourquoi :« Les ions W dans Li 2 WO 4 ont un état d'oxydation stable car ils existent dans le W ⁶⁺ former. Par conséquent, HAXPES est incapable d'évaluer l'irréversibilité causée par Li 2 WO 4 formation. Mesures électrochimiques, au contraire, peut distinguer le « Li+ réversible » des deux composantes irréversibles. Par conséquent, l'intégration des deux méthodes permet la distinction et l'évaluation quantitative des trois composants.

Pour effectuer les mesures électrochimiques, les scientifiques ont construit un Li X WO 3 -Transistor redox sur la surface plane d'une vitrocéramique conductrice lithium-ion (LICGC). Ils ont également construit une cellule électrochimique avec un WO 3 un film mince comme semi-conducteur et un substrat LICGC comme électrolyte pour effectuer des mesures HAXPES. Par ailleurs, ils ont utilisé la spectroscopie Raman in situ pour évaluer l'influence de Li ⁺ insertion sur le Li X WO 3 structure. Ils ont réussi à déterminer l'augmentation de la cristallinité causée par Li ⁺ insertion. Les proportions de Li réversible ⁺ , Li irréversible 2 WO 4 formation, et irréversible Li ⁺ piégeage ont été calculés à 41,4 %, 50,9%, et 7,7%, respectivement.

Les scientifiques pensent que leur étude aidera à développer et à concevoir des matériaux et dispositifs EC améliorés. "Pour plusieurs années, la principale impulsion pour la recherche et le développement de la CE a été les applications potentielles dans les bâtiments et les avions écoénergétiques. Cependant, il y a aussi plusieurs autres applications, tels que les écrans papier électroniques économes en énergie et conviviaux, " dit le Dr Kazuya Terabe, chercheur principal de l'International Center for Materials Nanoarchitectonics au NIMS et co-auteur de l'étude, "De plus, nos découvertes élargissent les possibilités d'application en fournissant la base pour le développement futur de WO hautes performances 3 -appareils EC basés sur la technologie."