解锁氧化钨薄膜：制备工艺与性能调控的奥秘

在新型调光器件的探索征程中，氧化钨（WO3-x）薄膜宛如一颗冉冉升起的新星，散发着独特的魅力。它凭借出色的热化学稳定性、半导体效应，以及神奇的光致变色、电光致变色和声致变色等性能，逐渐在材料领域崭露头角，成为新一代调光器件的“宠儿”，有望取代二氧化钛（TiO2）薄膜，引领调光材料的新潮流。

想象一下，窗户不再是一成不变的透明状态，而是能根据外界光线的强弱自动调节透明度，让室内始终保持适宜的光线；电子设备的屏幕能够根据环境光的变化自动调整显示效果，减少视觉疲劳……这些看似科幻电影中的场景，随着氧化钨薄膜技术的发展，正逐步走进现实。WO3-x薄膜在智慧窗、平板显示器、电子书和电子报纸等领域展现出了广阔的应用前景，为我们的生活带来更多的便利和舒适。

既然氧化钨薄膜如此神奇，那么它是如何制备出来的呢？又如何对其性能进行调控，以满足不同应用场景的需求呢？

一、氧化钨薄膜制备工艺大盘点

氧化钨薄膜的制备工艺丰富多样，每种工艺都有其独特的原理、操作流程以及优缺点，它们共同为氧化钨薄膜的制备提供了多种选择，以满足不同应用场景的需求。

1.物理气相沉积法

物理气相沉积法（PVD）是在高温下，将钨的靶材蒸发或溅射成气态原子或分子，随后在基材表面沉积形成薄膜。这种方法就像是一场微观世界的“粒子雨”，气态的钨粒子在基材上逐渐堆积，最终形成均匀且附着力强的氧化钨薄膜。在实际操作中，会利用高能粒子束或等离子体等手段，将钨靶材中的原子“轰”出来，使其在真空中自由飞行，然后精准地落在基板上，一层一层地构筑起WO3-x薄膜的微观结构。

在物理气相沉积法中，又包含热蒸发法、电子束蒸发法、溅射法等多种具体方法。其中，热蒸发法是通过加热氧化钨材料，使其在真空环境中升华，之后在冷却的基板上凝结形成薄膜。其工艺简单，但对蒸发源和基板的温度要求较高。电子束蒸发法则利用高能电子束加热氧化钨材料，使其在真空环境中蒸发并在基板上形成薄膜，该方法可以控制蒸发速率，提高薄膜质量。溅射法则是利用高能粒子轰击WO3-x靶材，使其原子溅射到基板上形成薄膜，该工艺可以在低温下进行，并能形成高质量的薄膜。

物理气相沉积法制备的薄膜具有良好的均匀性、附着力强、结构稳定等优点，但设备成本较高，制备过程对真空度要求也较高。

2.化学气相沉积法

化学气相沉积法（CVD）则是借助空间气相化学反应，在基体表面上沉积固态薄膜。这种方法如同一场微观的“化学反应魔术”，通过精确控制气态反应物的比例和反应条件，让它们在基板表面发生化学反应，从而生长出高质量的WO3-x薄膜。在制备过程中，气态的钨源和氧化剂会在高温或等离子体的激发下，发生复杂的化学反应，最终在基板上留下一层纯净且结晶度高的WO3-x薄膜。

化学气相沉积法包含气相沉积、原子层沉积、喷涂热解法等方法。其中，气相沉积法通过化学反应将WO3的气态前驱体沉积在基板上形成薄膜，该方法可以精确控制薄膜的组成和厚度。原子层沉积法是一种特殊的CVD技术，通过交替引入反应物来形成单层薄膜，该方法可以制备具有原子级厚度控制的薄膜。喷涂热解法则是通过将三氧化钨的前驱体溶液喷涂到加热的基板上，随后发生热解形成薄膜，该方法简单，成本低。

这种方法制备的氧化钨薄膜具有结晶性好、纯度高、与基材附着力强等优点，但设备成本较高，制备过程对温度控制要求较高。

3.溶液沉积法

溶液沉积法是在溶液环境中，通过化学反应或物理过程，使氧化钨在基板上沉积形成薄膜。这就像是让氧化钨在溶液的“摇篮”中慢慢生长，逐渐在基板上形成所需的薄膜结构。在实际操作中，会将含有钨离子的溶液与基板接触，通过调节溶液的酸碱度、温度和电场等条件，促使钨离子在基板表面发生化学反应或直接沉积，从而形成氧化钨薄膜。

该方法包含电化学沉积法、溶胶-凝胶法、水热法等。其中，电化学沉积法通过电流引导三氧化钨在基板上形成薄膜，该方法简单，可以在室温下进行。溶胶-凝胶法通过制备三氧化钨的溶胶，然后在基板上形成凝胶，经过热处理形成薄膜，该方法可以精确控制薄膜的成分。水热法则是通过在高温高压下将三氧化钨前驱体溶液结晶成薄膜，该方法可以形成高质量的晶体薄膜。

溶液沉积法的优点是工艺相对简单、成本较低，能够在大面积的基板上进行制备，且对设备的要求不像前两种方法那么苛刻。然而，它也存在一些不足之处，比如薄膜的质量和均匀性可能相对较差，制备过程中可能会引入杂质，影响薄膜的性能。

二、氧化钨性能调控有妙招

制备出氧化钨薄膜后，如何对其性能进行调控，使其更好地满足各种应用场景的需求，成为了研究的关键。科学家们通过不断探索，发现了多种性能调控的方法，这些方法犹如一把把神奇的钥匙，开启了WO3-x薄膜性能优化的大门。

1.基底温度

基底温度在氧化钨薄膜的制备过程中，扮演着至关重要的角色，它对薄膜的结构、形貌和光电化学性能有着显著的调控作用。在一项研究中，科研人员通过磁控溅射在石英玻璃基底上沉积WO3薄膜，深入探究不同基底温度的影响。当基底温度为500℃时，制备出的单斜相WO3薄膜展现出较好的结晶性，缺陷也更少。这是因为在这个温度下，新出现的(002)晶面取向的晶粒，使得薄膜表面粗糙度和表面能增加，进而提升了光生电子空穴分离效率。光降解实验进一步证实，此条件下制备的样品光降解效率最佳。

不同的基底温度还会影响薄膜的生长方式和晶粒大小。较低的基底温度可能导致薄膜生长缓慢，晶粒细小，而较高的基底温度则可能使晶粒迅速长大，甚至出现团聚现象。因此，精确控制基底温度，是获得理想性能WO3薄膜的关键之一。科研人员就像一群技艺精湛的工匠，通过调节基底温度这个“旋钮”，精心雕琢出具有不同性能的WO3薄膜，以满足光催化、光电响应等领域的多样化需求。

2.离子调控

离子调控为氧化钨薄膜性能的精准调控开辟了新途径，其中针尖注氢技术便是一项极具代表性的成果。清华大学物理系于浦课题组利用扫描探针显微镜技术，使用具有催化作用的铂镀层纳米探针，将针尖注氢技术应用于三氧化钨薄膜的离子调控研究。在氢气氛围下，具有Pt镀层的扫描探针针尖如同一个高效、可控的催化剂，使氢分子在纳米尺度的针尖和WO3薄膜表面的接触接口处裂解成离子，并通过电场作用注入薄膜内。

通过这种方式，氧化钨薄膜的氢化过程诱发了材料中电子掺杂，进而实现了对材料电阻态的精准、连续操控。更神奇的是，负的偏压可以驱动相应的脱氢过程，将样品从金属态逐渐恢复到绝缘态。实验中，通过对氢离子计量的精确控制，氧化钨薄膜可被精准调控至多个中间阻态，连续多次写入和擦除过程可实现样品在多电阻态间的切换，且在可重复性、一致性等测试中表现优良。这一技术不仅展示了室温下针尖诱导的纳米尺度多阻态调控方案，也为纳米尺度忆阻内存的研究带来了新的希望，有望发展成一种通用的纳米尺度离子注入技术，实现对更多材料功能的修饰或调控。

3.制备条件

制备条件的优化是提升氧化钨薄膜性能的重要手段，前驱体浓度、溶液温度、涂层次数、退火处理等因素，都对薄膜性能有着重要影响。以溶胶-凝胶法制备氧化钨薄膜为例，前驱体浓度的变化会直接影响薄膜的厚度和组成。较高的前驱体浓度可能导致薄膜厚度增加，但也可能使薄膜的均匀性下降；而较低的前驱体浓度则可能制备出更均匀、但较薄的薄膜。溶液温度同样关键，合适的温度能促进溶胶的形成和反应的进行，温度过高或过低都可能影响薄膜的质量。

涂层次数也与薄膜的性能密切相关。增加涂层次数可以使薄膜厚度增加，从而提高薄膜的某些性能，但过多的涂层次数可能会引入杂质，或者导致薄膜内部应力过大，影响薄膜的稳定性。退火处理则是改变薄膜结晶度和微观结构的有效方法。经过退火处理的WO3薄膜，往往具有更好的电致变色性能和稳定性。在一项研究中，科研人员发现，在500℃下退火的WO3薄膜，结晶较完全，与未退火或退火温度不合适的薄膜相比，其电致变色性能得到了显著提升。

为了获得性能最优的氧化钨薄膜，科研人员需要对这些制备条件进行精细优化和调控，通过大量的实验和资料分析，寻找出最适合的制备参数组合，就像在众多的音符中，找到最和谐的旋律，让氧化钨薄膜在不同的应用场景中都能奏响美妙的“性能之歌”。

版权及法律问题声明

本文信息由中钨在线®（www.ctia.com.cn，news.chinatungsten.com）根据各方公开的资料和新闻收集编写，仅为向本公司网站、微信公众号关注者提供参考数据。任何异议、侵权和不当问题请向本网站回馈，我们将立即予以处理。未经中钨在线授权，不得全文或部分转载，不得对档所载内容进行使用、披露、分发或变更；尽管我们努力提供可靠、准确和完整的信息，但我们无法保证此类信息的准确性或完整性，本文作者对任何错误或遗漏不承担任何责任，亦没有义务补充、修订或更正文中的任何信息；本文中提供的信息仅供参考，不应被视为投资说明书、购买或出售任何投资的招揽档、或作为参与任何特定交易策略的推荐；本文也不得用作任何投资决策的依据，或作为道德、法律依据或证据。

• < 上页
• 下页 >