电致变色材料可在电场下发生可逆光学变化，在智能窗等器件中前景广阔。钨掺杂氧化镍（W-doped NiOₓ）兼具较高的离子存储能力和电子导电性，能与WO₃形成互补型电致变色体系，但该材料的光学常数在宽波段内缺乏经多种模型验证的可靠数据，限制了器件光学设计的精度。光谱椭偏法可无损获取薄膜的厚度与光学常数，然而数据反演结果高度依赖于所选振子模型，不同模型的适用性需针对具体体系加以甄别。费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文采用反应磁控溅射制备W掺杂NiOₓ薄膜，先通过XPS、SEM、XRD明确其成分与物相结构，再以Gaussian、Lorentz、Harmonic三种振子模型分别拟合椭偏数据，结合透射光谱实测值筛选最优模型，最终获得该薄膜在300~2500 nm波段准确的光学常数及带隙值，为电致变色器件的设计与优化提供依据。

实验方法

以6 mm浮法玻璃为基底，依次经丙酮、酒精和去离子水超声清洗15 min。采用磁控溅射镀膜机，靶材为Ni:W摩尔比8.5:1.5的镍钨合金。

溅射参数：氩气流量40 mL/min，氧气流量35 mL/min，工作气压0.4 Pa，功率密度3 W/cm²，靶基距70 mm，本底真空1.33×10⁻⁴ Pa，室温沉积，通过基底往复运动控制膜厚。

椭偏测试使用Flexfilm光谱椭偏仪，入射角50°和70°，波长300~2500 nm，步长5 nm。同时采用SEM观察形貌，XRD分析物相，XPS测定元素价态和比例，分光光度计测量透射光谱，表面轮廓仪测量膜厚，用以验证椭偏拟合结果。

结果与讨论

W-doped NiOₓ薄膜表面（左）和断面（右）的扫描电镜照片

SEM表面和断面图像显示，薄膜呈致密簇状结构，颗粒尺寸20~50 nm，界限清晰、排列紧密，未发现明显孔隙或裂纹，局部有轻微团聚，整体有序性良好。

W-doped NiOₓ薄膜Ni2p₃/₂（左）和W4f（右）的XPS谱图

XPS谱图表明薄膜中Ni:W摩尔比为0.77:0.23，化学计量为Ni₀.₇₇W₀.₂₃Oₓ。Ni2p₃/₂峰（855 eV附近）由Ni²⁺和Ni³⁺叠加构成，分峰后二者摩尔比为1:2.62，Ni³⁺占主导。W4f谱图中35.4 eV和37.6 eV处的尖锐峰分别对应W⁶⁺的4f₇/₂和4f₅/₂，无其他价态峰，确认钨以W⁶⁺形式存在。

W-doped NiOₓ薄膜的X射线衍射图谱

XRD图谱中，36.8°、42.8°、62.4°处出现对应面心立方NiO（JCPDS No.65-2901）的(111)、(200)、(220)衍射峰，表明NiO为结晶态。未检测到WO₃相关衍射峰，WO₃以非晶态存在。由于非晶Ni₂O₃含量较高，NiO衍射峰强度偏弱且峰形不尖锐。

使用不同模型拟合得到的椭偏测试结果

椭偏拟合采用基底 / Ni₀.₇₇W₀.₂₃Oₓ薄膜 / 粗糙层的三层结构模型。分别用Gaussian、Lorentz、Harmonic振子拟合ψ和Δ，迭代优化后三者MSE分别为7.18、7.84、8.95，数值接近，拟合曲线与实测数据均无明显偏差。拟合厚度分别为199.44 nm、197.96 nm、199.12 nm，与轮廓仪测得的203.25 nm基本一致。但用三种模型所得光学常数反演透射光谱并与实测透射率对比：Lorentz和Harmonic模型在400~700 nm即出现轻微偏移，1000 nm以上偏差显著增大；Gaussian模型在300~1000 nm与实测值吻合较好，1000 nm以上仅小幅度偏离。因此确定Gaussian模型为最优选择。

Ni₀.₇₇W₀.₂₃Oₓ薄膜的光学常数

基于Gaussian模型获得的光学常数：折射率n在300~2500 nm范围内约为2.4，变化平缓。消光系数k在300~550 nm由0.67迅速下降至0.31，之后下降速度减缓，至2500 nm时降至0.07。

Ni₀.₇₇W₀.₂₃Oₓ薄膜的(αħν)² ~ħν曲线及光学带隙

根据Tauc公式(αħν)² = A(ħν − Eg)（吸收系数α = 4πk/λ），绘制(αħν)²~ħν曲线，取切线外推与横轴交点，得到薄膜光学带隙Eg = 3.26 eV。

本研究采用反应磁控溅射（Ni:W摩尔比8.5:1.5靶材）制备了W掺杂NiOₓ薄膜。XPS显示Ni:W实际比0.77:0.23，Ni³⁺占主导，W为W⁶⁺；XRD确认NiO结晶、WO₃非晶。椭偏分析表明，Gaussian振子模型对该体系的拟合精度优于Lorentz和Harmonic模型，薄膜厚度约199 nm，与实测一致。光学常数方面，折射率约2.4（300~2500 nm），消光系数从0.67（300 nm）下降至0.07（2500 nm），光学带隙为3.26 eV。该结果为W掺杂NiOₓ薄膜在电致变色器件中的光学设计和性能评估提供了参考数据。

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原文参考：《W掺杂NiOₓ薄膜的椭偏光谱分析》