建筑门窗隔热不行，平白耗掉大量采暖和制冷的能源。电致变色智能窗（调光玻璃）能在透明和不透明之间来回切换，靠调节进到室内的太阳热和光线来省能，这几年很受关注。WO₃ 是这类窗的核心变色材料，器件表现好不好，多半看它。已有的膜厚研究大多停在 100–300 nm，把厚度对表面、结构、光学和电致变色性能的综合影响系统讲清楚的很少。

本文用溶胶-凝胶旋涂在ITO玻璃上做 WO₃，旋涂层数不同，膜厚就落在 41–750 nm，把膜厚和各项性能的关系一并摸清。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

实验方法

前驱体是六氯化钨（WCl6），溶在无水乙醇里，冰醋酸当螯合剂、过氧化氢当氧化剂，室温搅完再在 40°C 搅 2 h，得到均匀透明的溶胶。ITO 玻璃经丙酮、异丙醇超声洗过、氮气吹干后，3000 rpm 旋涂，100°C 烘 3 min，再在 250°C 空气里退火。

表征上，膜厚用台阶仪，结构用 XRD（Cu Kα，2θ 20°–60°），形貌用 SEM，透射率用 UV-Vis。电化学走三电极（WO₃ 工作电极、Pt 对电极、Ag/AgCl 参比），电解液 1 M LiI/PEG，CV（−1.0–1.0 V，0.1 V/s）读峰电流和 Li⁺ 扩散系数，CA（60 s 偏压）测着色、褪色时间并同步记透射谱。

膜厚与基础光学

厚度靠层数（1–15 层）调，分出 41、113、149、338、456、750 nm 六档。550 nm 处透射率随厚度往下掉：338 nm 以内还有 80%–90%，456 nm 和 750 nm 分别到 70% 和 60%，原因是截面吸收变强、晶界密了散射多。

晶体结构（XRD）

不同厚度 WO₃ 薄膜的 X 射线衍射（XRD）图谱

厚度低于 120 nm 时只看到 ITO 基底的峰，WO₃ 还是非晶；过了 150 nm 冒出多晶峰，峰强随厚度涨，结晶变好，机理是吸附原子挪到稳的位置、界面应力释放。23.1°、23.6°、24.3° 三个主峰对应 (002)、(020)、(200) 晶面，是单斜结构，薄膜整体偏向沿 (200) 面长。

表面形貌（SEM）

不同厚度 WO₃ 薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像

低厚度薄膜表面致密光滑、呈非晶特征；中等厚度出现退火应变引起的裂纹；厚度大于450 nm 时表面转为随机取向的矩形晶粒，此时相邻晶粒横向生长带来的压应力释放，反而使裂纹消失。

电化学与离子扩散（CV）

不同厚度 WO₃ 薄膜的循环伏安（CV）曲线

阴、阳极峰电流随厚度增加：阳极由 0.20 mA 升至 0.69 mA，阴极由 −0.35 mA 升至 −1.41 mA，反映活性质量与扩散长度增大；750 nm 处峰电流略降，源于晶界增多使电荷存储容量下降。由 Randles-Sevcik 方程算得 Li⁺ 嵌入扩散系数在 0.341×10⁻¹¹–5.370×10⁻¹¹ cm²/s 之间，脱出扩散系数在 0.107×10⁻¹¹–1.283×10⁻¹¹ cm²/s 之间。

切换动力学（CA）

着色时间始终长于褪色时间，因着色态导电、褪色态绝缘，绝缘→导体转变更慢；两者都随厚度延长，因为着色中心数量增多。具体数值：41 nm 样品 Tc 22.60 s、Tb 4.52 s，456 nm 样品 Tc 35.63 s、Tb 12.76 s，750 nm 样品 Tc 32.19 s、Tb 9.92 s。

透射与着色效率

WO₃ 薄膜在 (a) 着色态、(b) 褪色态的透射率，以及 (c) 149 nm 与 (d) 338 nm 厚度下的透射率

着色态在633 nm处透射率由66 %降至4 %（电荷容量增大所致）；厚膜褪色态透射率也下降，因陷阱位使离子无法完全抽出而永久累积。着色效率在 338 nm 达峰值 34.8 cm²/C，随后因着色/褪色态间光学调制不足而回落。

可逆性

定义为脱出电荷与嵌入电荷之比，数值依次为 68%、65%、86%、94%、94%、95%；高可逆性才能保证长期循环后薄膜褪回透明，是器件电化学稳定性的体现。

溶胶-凝胶旋涂的 WO₃，膜厚在 41–750 nm 之间，可见光透射率直到 338 nm 还守在 80%–90%；结晶随厚度变好，薄时非晶、中等厚度裂、厚了长矩形晶粒。电化学上，扩散系数和切换时间都随厚度涨，着色效率在 338 nm 到顶（34.8 cm²/C），再厚因光学调制不够而掉；338 nm 以上的样品可逆性不低于 94%。总的看，338 nm 上下是个甜区：透射率、着色效率、可逆性都还拿得出手。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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原文参考：《Effect of film thickness on electrochromic performance of sol-gel deposited tungsten oxide (WO₃)》