Synthese und Analyse oxidischer Materialien zur Anwendung in elektrochromen Dünnschichtbauteilen

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von funktionalen Dünnschichten im Hinblick auf den Einsatz in einem elektrochromen Bauteil. Dabei erfolgt für die Einzelmaterialien die Abscheidung mittels Varianten der Sputterdeposition, schwerpunktmäßig unter Einsatz der RF-Kathodenzerstäubung. Zunächst wird eine fundierte Analyse der in Betracht gezogenen Elektroden-Materialien, alle auf oxidischer Basis, durchgeführt. Für diese sind die elektrochromen Eigenschaften von primärem Interesse. Dadurch bedingt wird der Fokus sowohl auf die elektrochemischen als auch auf die optischen Eigenschaften gesetzt. Für erst genannte Charakteristik ist neben der Untersuchung der Zyklenstabilität die generelle elektrochemische Speicherfähigkeit von Interesse. Einhergehend hiermit wird der Einfluss auf die optische Transmission untersucht. Abhängig vom Verwendungszweck kann der Schwerpunkt auf einer möglichst effizienten optischen Modulation oder gegenteilig, auf einer weitestgehend farbneutral bleibenden Elektrode liegen. Ein Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der Herstellung und Untersuchung der elektrochrom aktiven Elektrode. Aufgrund seiner geeigneten, reversibel verlaufenden optischen Schaltcharakteristik (von farblos-transparent hin zu blau) stellt das in der vorliegenden Arbeit untersuchte Wolframoxid ein für elektrochrome Bauteile geeignetes Material dar. Anhand der Ionenstrahlsputterdeposition wird eine für dieses Material bislang nicht in Betracht gezogene Abscheide-Variante erprobt. Dabei werden die Möglichkeiten untersucht, durch gezielte Anpassungen der Herstellungsparameter grundlegende Schichteigenschaften, wie eine entsprechende Schichtzusammensetzung, die optischen Eigenschaften oder die strukturelle Charakteristik und somit den Kristallisationsgrad systematisch und zielgerichtet zu beeinflussen. Basierend auf diesen grundlegenden Analysen ist eine systematische Auswahl von Proben möglich, welche im weiteren Verlauf anhand ihrer elektrochromen Eigenschaften untersucht werden, sowie weitere Optimierungmöglichkeiten dieser Charakteristika aufzeigen. Weiterhin wird das Konzept einer Schutzschicht auf das System des Wolframoxids übertragen. Hierbei sollen der positive Effekt einer zusätzlichen Aluminiumoxid-Schutzschicht auf eine Verbesserung der Zyklenstabilität während der elektrochemischen Behandlung sowie eine Vorbeugung der Schichtdegradation unter Anwesenheit von Feuchtigkeit demonstriert werden. Neben der Untersuchung genannter Elektrode ist ein weiterer Fokus auf die für ein elektrochromes Bauteil in Frage kommende Gegenelektrode gesetzt. Das bereits anhand anderer Studien untersuchte Material des Vanadiumpentoxids eignet sich, beispielsweise in einer Vorrichtung eines Smart Windows, aufgrund seiner unzureichenden Farbneutralität im interkalierten Zustand nicht. Abhilfe für die optischen Mängel soll das Material des Tantalvanadiumoxids schaffen. Neben seiner verbesserten Farbneutralität im interkalierten Zustand gilt es gleichzeitig seine elektrochemische Eignung und somit Stabilität zu überprüfen. Des Weiteren soll neben der Materialzusammensetzung die elektronische Struktur, abhängig vom variierenden Interkalationsgrad der Lithium-Ionen, untersucht werden. Abschließend sollen die vorgestellten Elektroden-Materialien mit dem gesputterten Feststoff-Elektrolyten LiPSON jeweils einzeln kombiniert und deren grundlegende Wachstums- sowie elektrochrome Schalteigenschaften untersucht werden. Die Resultate bieten schließlich einen Ausblick für die weiteren Schritte hin zu einem elektrochromen Feststoff-Bauteil, hergestellt mittels der Sputterdeposition.