NiO纳米结构阵列材料、制备方法、电致变色器件与流程

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种NiO纳米结构阵列材料、制备方法、电致变色器件。

背景技术：

电致变色器件具有高效、低耗、无污染、智能化等优点，在智能节能窗、汽车防眩目后视镜、红外隐身等领域均具有广阔的应用前景，已成为国内外研究的热点。在众多电致变色材料中，NiO材料由于具有较高电致变色效率和较大的光学调制范围，且储量丰富成本低，在电致变色器件的研发中引起了人们的广泛关注。

离子在电致变色材料中的嵌入和脱出与材料的比表面积密切相关，而材料的比表面积可通过其微观结构来调控。因此，设计特定的纳米结构并实现纳米结构的可控制备，是获得性能稳定，光学调控范围大，响应时间快的电致变色器件的有效途径。例如，已经报道的TiO₂/NiO核壳复合结构，NiO螺旋网状结构，Al掺杂的NiO柱状结构等。尽管人们通过特定纳米结构的设计，在一定程度上提升了NiO材料的电致变色性能，但是上述所制备的纳米结构的制备工艺相对复杂，纳米单元形态不均一且不易调控，严重制约了NiO材料在电致变色器件领域中的应用。因此，发展一种简便实用且形态可调控的NiO纳米结构阵列的制备方法，仍然是NiO基电致变色器件研发中亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种周期性排列、具有球壳状、且形态易调控的NiO纳米结构阵列材料、制备方法，及其电致变色器件。

为达上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种NiO纳米结构阵列材料，包括衬底和设置在衬底上的NiO层；所述NiO层为形貌均一、六角堆积排列的球壳状纳米结构阵列。

所述的衬底为氧化铟锡导电玻璃衬底。

所述的NiO层球壳状纳米单元的高度为480~540 nm。

一种NiO纳米结构阵列材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，清洗玻璃衬底和氧化铟锡导电玻璃衬底；

S2，利用自组装方法在S1清洗的玻璃衬底制备聚苯乙烯单层薄膜；

S3，用S1清洗的氧化铟锡导电玻璃衬底捞起S2制备的聚苯乙烯单层薄膜，在室温下自然干燥，形成单层胶体晶体模板；

S4，将S3制备的单层胶体晶体模板置于干燥箱中热处理；

S5，将S4热处理的模板取出后置于磁控溅射仪中，进行溅射镀膜；

S6，将S5溅射镀膜的模板取出后置于马弗炉加热，去除聚苯乙烯模板，形成球壳状结构的NiO纳米阵列材料。

所述步骤S1具体的步骤为：

SA1，将玻璃衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗30分钟；

SA2，将玻璃衬底置于浓硫酸与双氧水体积比为3:1的混合液中浸泡8小时，然后超声清洗60分钟，再用去离子水反复清洗；

SA3，将玻璃衬底置于氨水、双氧水、去离子水体积比为1:1:3的混合液中超声清洗60分钟，用去离子水清洗多次后待用；

SA4，氧化铟锡导电玻璃衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗30分钟，置于去离子水中待用。

所述步骤S2的气液界面自组装法，具体的步骤为：将S1清洗的玻璃衬底置于培养皿中央，向培养皿中缓慢加水，水面略高于玻璃片表面，但不没过玻璃片，然后将直径为1微米、质量百分比为10%的聚苯乙烯微球与乙醇和去离子水按照体积比1:4:4配成混合液，用移液器取20 微升聚苯乙烯微球的混合液滴在玻璃片上，混合液迅速从玻璃片上扩散至水面，并在水面自组装形成聚苯乙烯单层薄膜。

所述步骤S4中干燥箱温度为100度，处理5分钟。

所述步骤S5中磁控溅射靶材为Ni靶，真空度为5×10^-7托，溅射气体为高纯氩气，溅射功率为80 W，溅射时间为1000-3000 s。

所述步骤S6中马弗炉温度为400度，处理120分钟。

一种使用上述材料或制备方法制备的NiO材料电致变色器件。

本发明以单层胶体晶体为模板，结合磁控溅射法成功制备出形貌均一，周期性排列的球壳状NiO纳米结构阵列材料，其球壳的纳米单元尺寸可通过聚苯乙烯微球的尺寸、溅射功率、溅射时间等参数来调控，这种周期性的空心纳米结构阵列不仅具有巨大的比表面积，也为离子在材料中的脱嵌提供了便利的通道，可解决材料电致变色的响应速度慢的问题。本发明可进一步促进NiO电致变色材料在新型电致变色器件领域的应用。

附图说明

图1 为本发明的NiO纳米结构阵列的场发射扫描电子显微镜表面图像；

图2为本发明中制备不同高度的球壳纳米单元的场发射扫描电子显微镜截面图像，(a-c)中球壳纳米单元高度分别为480 nm，500 nm，540 nm。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述，参见图1至图2：

按本发明实施的NiO纳米结构阵列材料，包括有氧化铟锡导电玻璃衬底和生长在衬底上的NiO层，NiO层为形貌均一、周期性排列的六角堆积球壳状NiO纳米结构阵列，六角形纳米单元中心距离为1000 nm，纳米单元的高度为480~500 nm。该材料克服了现有电致变色材料排列周期性、均一性较差，不易调控等弱点。

按本发明实施的一种NiO纳米结构阵列材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，清洗玻璃衬底和氧化铟锡导电玻璃衬底，具体包括以下：

SA1，将玻璃衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗30分钟；

SA2，将玻璃衬底置于浓硫酸与双氧水体积比为3:1的混合液中浸泡8小时，然后超声清洗60分钟，再用去离子水反复清洗；

SA3，将玻璃衬底置于氨水、双氧水、去离子水体积比为1:1:3的混合液中超声清洗60分钟，用去离子水清洗多次后待用；

SA4，氧化铟锡导电玻璃衬底依次丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗30分钟，置于去离子水中待用。

步骤S2，利用自组装方法在S1清洗的玻璃衬底制备聚苯乙烯单层薄膜，所述气液界面自组装法，具体的步骤为：将S1清洗的玻璃衬底置于培养皿中央，向培养皿中缓慢加水，水面略高于玻璃片表面，但不没过玻璃片，，然后将直径为1微米、质量百分比为10%的聚苯乙烯微球与乙醇和去离子水按照体积比1:4:4配成混合液，用移液器取20 微升聚苯乙烯微球的混合液滴在玻璃片上，混合液迅速从玻璃片上扩散至水面，并在水面自组装形成聚苯乙烯单层薄膜。

步骤S3，用S1清洗的氧化铟锡导电玻璃衬底捞起S2制备的聚苯乙烯单层薄膜，在室温下自然干燥，形成单层胶体晶体模板；

步骤S4，将S3制备的单层胶体晶体模板置于设置100度的干燥箱中热处理5分钟。

步骤S5，将S4热处理过的模板，取出后置于磁控溅射仪中，磁控溅射靶材为Ni靶，真空度为5×10^-7托，溅射气体为高纯氩气，溅射功率为80 W，溅射时间为1000-3000 s。

步骤S6，将S5溅射后的模板取出后置于马弗炉温度为400度，处理120分钟，去除聚苯乙烯模板，形成球壳状结构的NiO纳米阵列材料。

按本发明制备出的形貌均一，六角密堆积周期性排列的球壳状NiO纳米结构阵列，其纳米结构的尺寸可通过溅射时间进行调节，如图2所示的本发明制备的NiO纳米结构阵列材料，其球壳纳米单元的高度随着溅射时间的增加可在480-540 nm之间调节。本发明的实施可进一步促进NiO电致变色材料在新型电致变色器件领域的应用。