1.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN SẮC VONFRAM
1.2.4 Các ứng dụng của vật liệu điện sắc
1.2.4.1 Linh kiện điện sắc
Linh kiện điện sắc có thể được sử dụng để chế tạo cửa sổ thông minh với khả năng điều chỉnh thông lượng ánh sáng truyền qua, thiết bị điều khiển bật/tắt.
Mô hình lý thuyết của linh kiện điện sắc có cấu tạo tương tự như một bình điện phân. Điện cực làm việc là màng ITO trên đế có độ truyền qua cao.
Điện cực đối làm bằng vật liệu trơ đối với môi trường điện phân phù hợp.
Chiều phân cực thế của điện cực làm việc sẽ quyết định quá trình nhuộm màu và tẩy màu.
(a) (b)
Hình1.14: (a) trạng thái trong suốt của màng WO3
(b) trạng thái của màng WO3 trong quá trình nhuộm màu
Vật liệu điện sắc anode đóng vai trò lớp trữ ion, lớp điện sắc còn lại là màng điện sắc cathode. Ở giữa hai lớp màng điện sắc là lớp dẫn ion làm bằng màng điện phân rắn. Khi linh kiện được phân cực thế như hình vẽ, ion dương sẽ bị đẩy ra khỏi màng điện sắc anode. Dưới tác dụng của điện trường có chiều từ trái qua phải, ion chuyển động qua môi trường điện phân
HVTH: Huỳnh Minh Trí Trang 34 rắn đi vào trong màng điện sắc cathode bị giữ lại ở nay. Như vậy, quá trình nhuộm màu đã xảy ra ở cả hai lớp màng điện sắc, và khi ta đảo chiều phân cực thế quá trình tẩy màu cũng xảy ra đồng thời ở hai màng điện sắc tương úng với sự dịch chuyển của ion từ lớp màng điện sắc cathode sang màng điện sắc anode. Với cấu trúc này, ta có thể làm cho hai màng cùng nhuộm màu và cùng tẩy màu nên độ thay đổi độ truyền qua của linh kiện giữa hai trạng thái này là lớn hơn nhiều so với linh kiện thông thường.
Hình 1.15: Mô hình linh kiện điện sắc
Cấu tạo của linh kiện điện sắc: Thuỷ tinh/ITO/NiO/LiAlF4/ITO/thuỷ tinh.
Vì khi thay đổi chiều điện thế áp vào linh kiện điện sắc sẽ dẫn tới quá trình nhuộm màu hay tẩy màu từ đó ta có thể điều chỉnh lượng ánh sáng truyền qua phù hợp theo yêu cầu một cách liên tục, người ta áp dụng tính chất này của linh kiện điện sắc để làm cửa sổ thông minh.
HV sắc tru khi kín
1.2
các hoá
tinh
VTH: Huỳn Và khi c bằng mà
yền qua c iển được đ nh chống lo
Hình 1.17 2.4.2 Đầu d
Dựa v c vị trí khu á, người ta Thiết k h hoặc WO
a
nh Minh T
Hình 1 ta thay th àng có mộ các lớp và độ phản xạ oá, chống
7: Mô hình dò khí H2, ào sự tươ uyết Oxy a đã sử dụ kế đơn giả O3/Pt/thuỷ
a)
Trí
1.16: Mô hì hế một tron ột mặt phả à tới lớp n ạ của vật l phản xạ c
kính chống , N2
ơng đồng g và màng ụng màng ản nhất của
tinh.
ình nguyên ng hai điện ản xạ hay này sẽ bị p
liệu. Tính cho các loạ
g loá, chống
giữa tính c WO3 đượ WO3 làm đ a đầu dò g
b)
lý cửa sổ đ n cực tron
mặt kim lo phản xạ n
chất này đ ại xe như :
g phản xạ
chất quang c nhuộm đầu dò khí gồm một m
điện sắc.
ng suốt của oại, thì sa ngược lại, được áp d
ô tô, xe tả
g học của bằng phư í hydro màng đa lớ
c)
Trang a linh kiện u khi ánh ta có thể ụng để ch ải, xe con,…
màng WO ơng pháp ớp Pt/WO3
)
g 35 n điện
sáng điều ế tạo
…
O3 có điện
3/thuỷ
HVTH: Huỳnh Minh Trí Trang 36 Hình 1.18: Quá trình nhuộm màu của màng đa lớp Pt/WO3/thuỷ tinh đặt
trong môi trường có khí H2
Khi đầu dò đựơc đặt trong môi trường có chứa khí H2, khí H2 sẽ hấp phụ trên bề mặt Pt và bị phân ly thành 2 nguyên tử H (1). Sau đó các nguyên tử H này sẽ di chuyển tới bề mặt màng WO3 (2) rồi khuếch tán dọc theo bề mặt của lỗ xốp trong màng (3). Khi đó những nguyên tử Oxy ở lớp bề mặt sẽ liên kết với các nguyên tử H dựa trên sự hình thành H3+O hấp phụ trên bề mặt và hình thành liên kết W-O-H. vì liên kết W-O yếu hơn liên kết O-H nên liên kết W-O-H sẽ hấp thụ thêm một nguyên tử H để tạo thành liên kết W-O- H2 (4) mà trong liên kết này W liên kết rất yếu với O nên H2O dễ dàng tách khỏi liên kết với màng (5) và thoát ra ngoài (7). Cuối cùng ở bề mặt của màng có những vị trí khuyết Oxy. Những vị trí khuyết này sẽ khuếch tán vào bên trong màng, trở thành tâm màu.
Vậy dựa vào sự đổi màu của màng ta có thể xác định có mặt khí H2
trong môi trường hay không.
1.2.4.3 Thiết bị chống sự rò điện
Màng WO3 còn được sử dụng để chống lại sự rò điện ở một số thiết bị. Một số thiết bị điện có những vị trí bị hư hỏng do bụi hoặc sự phá huỷ của kim loại làm cho những chỗ này bị rò điện dẫn và chúng làm thiết bị nóng lên đồng thời làm giảm năng suất làm việc của thiết bị.
HVTH: Huỳnh Minh Trí Trang 37
Hình 1.19: Hình ảnh phóng to vị trí rò rỉ điện của thiết bị điện
Người ta đã khắc phục tình trạng trên bằng cách đưa vào thiết bị điện một màng đa lớp với thiết kế như sau
Hình 1.20: Mặt cắt ngang của thiết bị điện sắc đa lớp được chụp bằng phương pháp FIB (focus ion beam)
Trong cấu trúc trên lớp WO3 đóng vai trò là lớp điện sắc cathode còn lớp NiO là lớp điện sắc anode, còn lớp dung dịch điện phân ở giữa hai lớp màng điện sắc là môi trường dẫn ion. Người ta sẽ đặt hệ màng này vào thiết bị sao cho dòng điện do rò rỉ sẽ đi vào màng từ phía WO3 khi đó các electron sẽ được giữ lại đây để cùng với ion dương được tiêm vào từ lớp điện phân
HVTH: Huỳnh Minh Trí Trang 38 và xảy ra quá trình nhuộm màu của màng WO3. Như vậy sẽ làm giảm dòng điện do sự rò rỉ nên thiết bị không bị nóng lên.
1.2.4.4 Sản xuất đĩa cho phép ghi với tốc độ nhanh
Ngoài ra, người ta còn ứng dụng tính chất của các vật liệu điện sắc để sản xuất đĩa ghi có năng suất ghi nhận cao hơn. Người ta thiết kế những chiếc đĩa có những lớp ghi nhận là những lớp vật liệu điện sắc siêu mỏng, và vật liệu WO3 thường được chọn làm lớp điện sắc chính và được lắng đọng bằng phương pháp phún xạ với khí làm việc là hỗn hợp khí O2 và Ar được trộn với nhau theo tỉ lệ O2 / Ar là 5/70. Sau đó áp điện thế +1,3V vào màng trong thời gian 90 giây thì độ truyền qua của màng điện sắc ứng với bước sóng 550nm sẽ giảm từ 80% xuống còn 30%, tốc độ nhuộm màu xảy ra rất nhanh nhờ đó tốc độ ghi quang học của đĩa sẽ tăng lên. Người ta nhận thấy rằng với đĩa ghi được sản xuất bằng công nghệ Yamada năng suất ghi nhận là 50GB còn với đĩa ghi có chứa các lớp siêu mỏng điện sắc thì năng suất lên tới 100GB. Nhưng để xét tính chất quang của mỗi lớp ghi nhận thì chúng phải đặt cách nhau 25μm điều này làm giới hạn số lớp ghi nhận của một đĩa.