Untersuchung gasochrom schaltender Wolframoxide

Weis, Hansjörg; Wuttig, Matthias

doi:HT013754915

Untersuchung gasochrom schaltender Wolframoxide

Weis, Hansjörg (Author)

2002 & 2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hansjörg Weis

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangXIV, 237 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Prüfungsjahr: 2002. - Publikationsjahr: 2003

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-07-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6036
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-120780
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/58955/files/58955.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wolframoxide (Genormte SW) ; Gasochrome Schicht (Genormte SW) ; Palladium (Genormte SW) ; Dünne Schicht (Genormte SW) ; Magnetronsputtern (Genormte SW) ; Optische Eigenschaft (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Wolframoxid (frei) ; WOx (frei) ; WO3 (frei) ; Wolfram (frei) ; Oxid (frei) ; gasochrom (frei) ; gaschrom (frei) ; Schalten (frei) ; elektrochrom (frei) ; Wasserstoff (frei) ; schalten (frei) ; schaltbar (frei) ; schaltfähig (frei) ; Adaptive Verglasung (frei) ; Intelligente Fenster (frei) ; DC-Magnetron Sputtern (frei) ; XRR (frei) ; XRD (frei) ; Röntgenreflektometrie (frei) ; Optik (frei) ; analysis (frei) ; tungsten (frei) ; oxide (frei) ; gaschromic (frei) ; adaptive glazing (frei) ; switch (frei) ; switchable (frei) ; electrochrom (frei) ; electrochromic (frei) ; Hydrogen (frei) ; smart windows (frei) ; dc-magnetron sputtering (frei) ; Optic (frei) ; dielectric function (frei) ; optical properties (frei) ; index of refraction (frei) ; thin films (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Untersuchung gasochrom schaltender Wolframoxide Diese Arbeit beschreibt die Eigenschaften von DC-Magnetron gesputterten Wolframoxiden, die in Kombination mit einem dünnen Palladium-Katalysator bereits in einer Argon- oder Stickstoff-Atmosphäre mit einem geringen, nichtexplosiven Anteil von Wasserstoff (H2) gaschrom einfärbbar sind. Das Entfärben geschieht in sauerstoffhaltiger Atmosphäre. Grundlage ist dieselbe Oxidation bzw. Reduktion des WOx, wie sie vom elektrochromen Schalten bekannt ist. Beim Schalten ändert das WOx seine optischen Eigenschaften von einem zwischen Infrarot (IR) und Ultraviolett (UV) transparenten zu einem bevorzugt im nahen IR (NIR) absorbierenden Zustand, wodurch sich z.B. ein großes energietechnisches Anwendungspotential als adaptive, wenige hundert Nanometer dünne Funktionsschicht in 'Smart Windows' eröffnet. Die Absorption wird der Entstehung 'Kleiner Polaronen' zugeschrieben. Das wichtigste Ziel der Arbeit war es, ein besseres Verständnis für den Zusammenhang zwischen den Sputterdepositionsparametern und den resultierenden Schicht- und Schalteigenschaften zu gewinnen. In diesem Kontext gelang auch die Beschreibung eines lateral inhomogenen Schaltverhaltens der Proben. Zudem wurde die Abhängigkeit des Schaltverhaltens von Systemparametern wie den Dicken der WOx- bzw. Pd-Schichten oder dem Wasserstoffpartialdruck näher analysiert und mit Modellen zur Kinetik und Thermodynamik aus der Literatur verglichen. Zur Charakterisierung der Schichten wurden vor allem Röntgenreflektometrie (XRR), optische Spektroskopie und in-situ zeitaufgelöste Spektroskopie eingesetzt. Zur Bestimmung physikalisch relevanter Eigenschaften wie der Dichte, Dicke und Rauhigkeit der Schichten bzw. ihrer dielektrischen Funktion (DF) (<--> Brechungsindex und Absorptionskonstante) wurden die Messungen mit geeigneten Simulationsprogrammen analysiert und bestehende Algorithmen verfeinert, um zum Teil sehr feine Unterschiede herauszuarbeiten. Durch Erhöhung des Depositionsdrucks kann die zum Teil sehr hohe kinetische Energie der auf die Schicht auftreffenden Teilchen reduziert werden. Dadurch entstehen porösere, weniger dichte Schichten, die ein schnelleres Schaltverhalten zeigen. Ähnlich kann das lateral inhomogene Schaltverhalten der Proben auf den Erosionsgraben des Targets zurückgeführt werden. Dessen Form bestimmt, wo auf dem darüberliegenden Substrat energiereiche oder thermalisierte Teilchen auftreffen und ein mehr oder weniger dichtes Wachstum fördern. Über die Lorentz-Lorenz-Beziehung gelingt hier eine Kopplung zwischen Dichte und Brechungsindex bzw. Realteil der DF. Die Anwendung von Modellen aus der Literatur zur Schaltkinetik erlaubt die Simulation der gemessenen zeitabhängigen Farbzentrenkonzentration. Dadurch wird das passende Modell identifiziert und es gelingt eine Einteilung in Schichten mit schneller und solche mit langsamer Diffusion.

Analysis of gasochromic switching tungsten oxide layers This thesis describes the properties of reactively dc-magnetron sputtered tungsten oxide (WOx) films. The films are gasochromically switched with diluted hydrogen (H2) in argon or nitrogen, with a very thin surface film of palladium (Pd) as catalyst. The bleaching process happens in oxygen containing atmosphere similar to the reduction and oxidation process known from electrochromic switching. By switching the WOx films, its optical properties change from a transparent state, between the infrared (IR) and ultraviolett (UV), to an absorbing state, in the near infrared. The results portend a big application potential, for a few hundreds nanometer thin functional layer, for energy regulation purposes in 'smart windows' or 'adaptive glazings”. The observed absorption state is ascribed to the creation of small polarons. The main goal of the thesis was to gain a better understanding for the correlations between sputter-deposition parameters and the resulting layer- and switching properties. A new model succeeded in describing the lateral, inhomogeneous switching of the samples. The dependence of the switching behaviour from system parameters like thicknesses of the WOx- or Pd-layers or the hydrogen partial pressure was analyzed in more detail and compared with models from literature dealing with kinetics and thermodynamics. To characterize the coatings, X-ray reflectometry (XRR), optical spectroscopy and in-situ time resolved spectroscopy were mainly used. The determination of relevant physical properties like density, thickness and roughness or the dielectric function (DF) (<--> index of refraction and absorption index), was achieved by analysis of the measurements with suitable simulation programs. Refinement of existing algorithms was necessary to reveal some minute but significant details. By increase of deposition pressure there was thermalization of high energy incident particles on the growing film. This resulted in more porous and less dense films, which showed a faster switching behaviour. Moreover, the laterally inhomogeneous switching behaviour of the samples could be correlated with the target erosion profile. Its shape determined where fast or thermalized particles impinged on the substrate, causing a more or less dense film growth. The link between density and index of refraction was done via the Lorentz-Lorenz-relation. The application of prevailing models of kinetics in literature enabled time dependent simulation of the measured coloration centers concentration. Identification of the matching simulation led to a classification of the layers into those of fast or slow diffusion according to models from the literature.

OpenAccess:
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