Thin Film Electrochromic Materials and Devices

0 downloads 0 Views 34MB Size Report
Aug 14, 2013 - else could find and Andrey Voronov for assisting me in adapting the ..... 5.50 – In-situ time evolution spectra for electrochromic NiO in 1.0M LiClO4- ... wavelength for a TiO2 thin film ...... Following this there were a number of early patent applications .... and high IR absorption typical of ITO films as IR photons.
     

Thin Film Electrochromic Materials  and Devices   

Matthew Kenneth Neeves  14/08/2013         

   

A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the University of  the West of Scotland for the degree of Doctor of Philosophy        Director of Studies and Supervisor:   Professor Frank Placido     

      To my wife Charlotte 

 

 

i     

Abstract    This thesis investigates in detail the thin film materials required for the construction of  a  thin  film  electrochromic  device,  their  production  by  vacuum  deposition  and  other  techniques,  and  their  characterisation  by  SEM,  XRD,  and  optical  and  electrochemical  methods,  leading  to  a  greater  understanding  of  the  materials  and  considerations  required  in  the  design  of  electrochromic  layers  and  devices  constructed  with  said  layers.  Working  devices  consisting  of  electrochromes,  electrolytes  and  transparent  conducting electrodes are constructed by methods and upon a scale that are amenable  to commercial‐scale production.  The  hardware  and  software  components  of  a  unique  real‐time  spectroscopic  electrochemical  characterisation  cell  are  described,  which  have  enabled  the  novel  synchronous  collection  of  wideband  optical  transmittance  and  electrochemical  information at intervals as small as 20ms.   Optimal  process  conditions  for  the  production  of  electrochromic  transition  metal  oxides of nickel, titanium, tungsten and the novel nickel‐chromium oxide by advanced  sputtering  and  electron‐beam  evaporation  techniques  are  investigated  and  described  in‐depth.  For  comparison,  devices  are  also  constructed  using  the  well‐known  electrochromic material iron hexacyanoferrate, or ‘Prussian Blue’.   It is essential for devices intended for eyewear applications that materials are eye‐safe  and  that  traffic  light  recognition  is  not  unduly  impaired.  The  electrochromic  performance  of  individual  materials  and  working  devices  is  reported  for  all  materials  and  spectroscopic  data  is  used  to  calculate  tristimulus  co‐ordinates  and  thus  characterise the colour performance of the various materials and devices.   Working  devices  also  require  transparent  conductive  electrodes.  The  transparent  conductive  oxide  indium  tin  oxide  (ITO),  as  prepared  by  two  different  sputtering  methods is investigated. The sheet resistance of the ITO is shown to have a significant  quantifiable effect upon the switching speed of working devices and this is reported in  detail.  Plasma‐assisted  sputtering  from  a  ceramic  target  is  shown  to  produce  good 

i     

quality  crystalline  films  with  a  low  sheet  resistance  at  room  temperature  and  at  an  acceptably high deposition rate.   Additionally, an important factor in this work has been the development and testing of  suitable substrate tooling and the use of commercial‐scale production equipment. This  is shown to allow the production of highly reproducible devices. The best performing  device was manufactured with a relatively large working area (38.48cm2) using NiO and  WO3 films, a novel agar‐based gel polymer electrolyte and 130nm thick ITO electrodes.  This  device  achieved  switching  speeds  of  25.7  and  9.5  seconds  for  colouring  and  bleaching  respectively,  and  was  capable  of  being  cycled  beyond  103  times  without  significant degradation.                                  ii     

Declaration    I confirm that this thesis has not been previously submitted for a PhD or any other  comparable academic award.    Date:   

14/08/2013 

  Signature: 

 

 

Matthew Kenneth Neeves                         

iii     

          Page Intentionally Blank                                   

iv     

Acknowledgements    “Ex ignorantia ad sapientiam et tenebris ad lucem”    With the wide scope and varied nature of this work, there are many people I wish to  thank for their support, assistance and encouragement.  Firstly I would like to thank Professor Frank Placido, my director of studies, for his kind  support, advice, guidance, and of course, the opportunity to join the Thin Film Centre  and study for my PhD at University of the West of Scotland.  Also at the Thin Film Centre I share my gratitude for all of the help and advice received  from the technical staff; Doctor Liz Porteous for her many hours of SEM / EDX analysis  and  supportive  chats,  Andrew  Bunyan  for  his  tireless  help  and  support with  both  the  machines and depositions, Doctor Shigeng Song for his assistance and advice with ITO  in  the  early  stages  of  this  project,  Geoff  Moores  and  Jim  Orr  for  their  continual  assistance  with  the  design  and  construction  of  tooling  and  demonstration  devices,  Gerry  O’Hare  for  always  being  available  to  assist  and  procure  the  things  that  no‐one  else could find and Andrey Voronov for assisting me in adapting the software for the  Scalar Technologies ScalarGauge.  From the chemistry department I would like to thank Doctor Callum McHugh for this  encouragement  and  also  the  technicians,  in  particular;  Stuart  McCann  and  Charles  McGuiness  for  their  accommodation  of  me  within  the  chemistry  department,  their  support and also friendship.    My fellow PhD students of past and present, in particular from the thin film centre; To  Ross Birney, Steffen Lapp, John Kavanagh, Zane Grey and more recently, Peter Childs, I  say  thank  you  for  the  advice,  encouragement,  friendship  and  lively  debates you  have  provided me over the past years. From elsewhere in UWS; Natalie Dickinson, Stephen  Hendry, Kiri Rodgers, Torsten Howind, Dorn Carran and our late friend, Margaret Rose  Train,  I  thank  you  for  your  help,  support,  and  most  importantly  continued  friendship 

v     

which  has  allowed  me  to  retain  some  of  my  sanity,  under  the  presumption  that  I  possessed any in the first place!  Appreciation  also  goes  to  both  Doctor  Pascal  Boinard  and  Doctor  Eric  Boinard  at  Polaroid  Eyewear  for  all  of  the  help,  advice  and  of  course,  in  combination  with  the  Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), the project proposal and  funding without which none of this research would have been possible.  My family and other friends also deserve no lesser mention for aiding me throughout  the course of this PhD, especially my mother Carol, and my in‐laws, Paul and Janet, for  their encouragement, understanding and support both with respect to the PhD and life  alongside the PhD, especially during the write‐up stage.  Finally, I wish to thank my wife Charlotte for her unending love, support and tolerance,  without which my will to complete at times, would most certainly have faltered. Your  faith,  enthusiasm  and  belief  in  me  are  a  never  ending  source  of  motivation  and  strength, and for this, with respect to the PhD and beyond, I am eternally grateful.    Vobis omnibus maximus gratias ago!  (I give my deepest thanks to you all)             

   

vi     

List of Symbols and Abbreviations     

 

Absorbance (Also known as optical density – OD) 

AC  

 

Alternating Current 

AgCl 

 

Silver Chloride 

AR 

 

Anti Reflection 

  

 

Magnetic Field (Teslas) 



 

Coulomb 

CA 

 

Chrono Amperometry 

CAD 

 

Computer Aided Design 

CE 

 

Colouration Efficiency 

CE 

 

Counter Electrode 

CIE 

 

Commission Internationale de l’Eclairage 

CRT 

 

Cathode Ray Tube 

CuSO4   

Copper Sulphate 

CV 

 

Cyclic Voltammetry 

CVD 

 

Chemical Vapour Deposition 

 

 

Thickness 

 

 

Inter‐Planar Spacing 

DC 

 

Direct Current 

  

 

Charge of Electron 

  

 

Electrical Field (N/C) 

E‐beam  

Electron Beam 

EDX 

 

Energy Dispersive X‐ray analysis 

EIS 

 

Electrochemical Impedance Spectroscopy 

EPD 

 

Electrophoretic Deposition 

FESEM   

Field Emission Scanning Electron Microscope  96485.3365 /

  

 

Faraday Constant (

FTIR 

 

Fourier Transform Infrared Spectroscopy 

vii     



HD 

 

Hard Drive 

Hz 

 

Hertz 

 

 

Current (Amperes) 

 

 

Intensity 

ICP 

 

Inductively Coupled Plasma 

IR 

 

Infrared 

ITO 

 

Indium‐Tin Oxide (In2O3:Sn) 

  

 

Kelvin 

 

 

Extinction Coefficient 

KCl 

 

Potassium Chloride 

KOH 

 

Potassium Hydroxide 

LCD 

 

Liquid Crystal Display 

LiClO4   

Lithium Perchlorate 

Li2O 

Lithium Oxide 

 

LiPON   

Lithium Phosphorus Oxy‐Nitride 

LiTMS   

Lithium Trimethyl sulphonate 

MFC 

 

Mass Flow Controller 

  

 

Complex Index of Refraction 



 

Newtons 

  

 

Refractive Index 

NaCl 

 

Sodium Chloride 

NiO 

 

Nickel Oxide 

Ni‐Cr   

Nickel‐Chromium 

OCP 

 

Open Circuit Potential 

OD 

 

Optical Density 

PB 

 

Prussian Blue 

PC 

 

Propylene Carbonate 

PC 

 

Personal Computer 

PG 

 

Prussian Green 

PMMA   

Poly(methyl methacrylate) 

PVD 

Physical Vapour Deposition 

 

viii     

PW 

 

Prussian White 

PY 

 

Prussian Yellow 



 

Charge (Coulombs) 

QCM   

Quartz Crystal Microbalance / Monitor 

 

 

Reflectance (%) 

RE 

 

Reference Electrode 

RF 

 

Radio Frequency 

SCE 

 

Saturated Calomel Electrode 

SEM 

 

Scanning Electron Microscopy 

SPD 

 

Suspended Particle Device 

SWV 

 

Square‐Wave Voltammetry 

 

 

Temperature 

 

 

Transmittance (%) 

TCO 

 

Transparent Conductive Oxide 

TCP/IP   

Transmission Control Protocol / Internet Protocol  

TiO2 

 

Titanium Dioxide 

USB 

 

Universal Serial Bus 

UV 

 

Ultra Violet 

 

 

Potential (Volts) 

WE 

 

Working Electrode 

WO3 

 

Tungsten Trioxide 

XRD 

 

X‐ray Diffraction 

α 

 

Absorption coefficient 

φ 

 

Phase Shift 

λ 

 

Wavelength (nm) 

 

 

Permittivity of Free Space 

  

 

Gibbs Free Energy 

  

 

Enthalpy Change of Reaction 

  

 

Enthalpy Change of Process 

 

ix     

List of Figures    All figures presented in this thesis, with the exceptions of; 2.1, 4.8 and 4.13 are  my own work.    Date:     

14/08/2013 

Signature: 

 

 

Matthew Kenneth Neeves    1.1 – A Simple Electrochromic Cell

3

1.2 – Illustration depicting; reflective, transmissive, transmissive/reflective and  diffuse/absorbing electrochromic devices         

   5

2.1 – Density of states representation of electronic band structure for a material        10 2.2 – Three dimensional representation of sodium chloride (NaCl) cubic lattice  crystalline structure  2.3 – Density of states representation of electronic band structure for a  disordered material 

   10    11   

2.4 – Density of states representation of electronic band structure for doped  semiconductor materials 

12

2.5 – Diagram representation of the intercalation process at the surface of an  electrochromic cathode 

14

2.6 – Density of states illustration of electronic band structure for an  electrochromic material 

      15

2.7 – Transmitted and reflected light at an interface between two materials 

  17

2.8 – Diagram depicting light passing through a thin film of finite thickness 

18

2.9 – Chromaticity diagram depicting the CIE colour space 1931 (2° standard  observer) 

x     

   25

3.1 – The periodic table of elements with depiction of electrochromic metal  oxides 

   29

3.2 – Representation of the crystal structure of ‘insoluble’ PB

39

3.3 – Representation of the crystal structure of ‘soluble’ PB

39   

3.4 – Illustration of non‐equivalent indium sites and oxygen vacancies in an  In2O3 crystal 

42

3.5 – Schematic Diagram of a DC sputtering System

48

3.6 – Schematic Diagram of a RF sputtering System

49

3.7 – Schematic diagram of a sputtering target with magnetron

50

3.8 – Schematic representation of an electron beam evaporation source 

51

3.9 – Illustration of an electrolytic cell

53

3.10 – A schematic representation of how SEM works

56

3.11 – Illustration of constructive interference x‐ray diffraction (Bragg diffraction)    58   

3.12 – Schematic representation of a three electrode cell with a typical Ag/AgCl  reference electrode 

59

3.13 – Potential versus time during CV analysis

61

3.14 – Potential versus time during CA analysis

61

4.1 – The Optimal UCS40 commercial ultrasonic cleaning system

63

4.2 – The Satis MSLab 370 Electron Beam Evaporation System

64

4.3 – Annotated vacuum chamber interior of the Satis MSLab 370 series electron  beam evaporation system 

65

     

4.4 – The MicroDyn 40000 Series Microwave‐Assisted Commercial Pulsed DC  Magnetron Sputtering System with custom substrate tooling 

66

4.5 – Schematic representation of the MicroDyn 40000 series.

67

4.6 – The CVC AST 304 RF Sputtering System

68

4.7 – The AML PlasmaCoat Plus II

69

4.8 – Rotating carousel assembly

70

4.9 – Photograph of different substrate area masks

71

4.10 – The Hitachi U‐3501 spectrophotometer

73

4.11 – The Aquila Instruments nkd‐8000 spectrophotometer

74

xi     

  

4.12 – The Hitachi S4100 FESEM fitted with a model 6566 Oxford Instruments  Gem Germanium detector 

75

4.13 – The Siemens D5000 X‐Ray Diffractometer

75

4.14 – The Dektak 3ST surface profilometer

76

4.15 – The Jandel Engineering four point probe

76

4.16 – Radiometer Analytical PGZ301 Potentiostat

77

4.17 – Ivium IviumSTAT Potentiostat

77

5.1 – ITO coated microslide produced at ambient room temperature attached by  the carbon tape method 

 84

5.2 – Sheet resistance measurement positions and results for different samples  attached by the carbon tape method 

 85

5.3 – AutoCAD™ image of cassette type substrate holder tooling

87

5.4 – Prototype of the cassette holder arrangement

87

5.5 – Close up photograph of substrate holder assembly with cassette partially  removed 

 88

5.6 – ITO produced at ambient room temperature with the substrate holder  assembly 

 89

5.7 – Sheet resistance measurement positions and results for different samples  attached using the substrate holder cassette assemblies 

 90

5.8 – Depiction of substrate / target distance variation between centre and  edges of a flat substrate and target material when attached to a drum 

91

5.9 – Substrate attachment / holder positions across width of the drum

91

5.10 – Prototype substrate holder

93

5.11 – Calotte with final completed slide holder assemblies attached

93

5.12 – Close up of attached substrate holder assembly, complete with substrate  and mask 

 94

5.13 – AutoCAD™ drawing of electrochemical cell 1

95

5.14 – Electrochemical cell 1 pictured atop of the Hitachi U‐3501

95

5.15 – Diagram displaying positioning of cell layout

96

5.16 – In‐situ and Ex‐situ spectra obtained for an ITO‐coated microslide substrate 

97

5.17 – The Scalar Technologies ScalarGauge film thickness measurement system 

99

  

5.18 – Electrochemical Cell 1 with fibre optic lenses installed

100

5.19 – In‐situ spectra obtained for ITO‐coated microslide substrate

101

xii     

102

5.20 – Spectroelectrochemical Cell 2

5.21 – In‐situ and Ex‐situ spectra obtained for an ITO‐coated microslide substrate  103 5.22 – In‐situ spectra obtained for ITO‐coated microslide substrate

104

5.23 – A schematic of the software control system for spectroelectrochemical  analysis 

106

5.24 – A schematic representation of the spectroelectrochemical measurement  setup 

106

5.25 – Fitted optical transmittance and reflectance of ITO coated microslide  substrate as produced using the MicroDyn 40000 series deposition system 

109

5.26 – n and k values calculated from the fitting of optical spectra presented in  figure 5.25 

110

5.27 – Fitted optical transmittance and reflectance of ITO coated silica disc  substrate as produced using the PlasmaCoat deposition system 

111

5.28 – n and k values calculated from the fitting of optical spectra presented in  figure 5.27 

112

5.29 – XRD spectra of ITO films produced with various O2 flows

113

5.30 – Sheet resistance versus O2 flow for ITO films produced using the  PlasmaCoat 

114

5.31 – XRD spectra of ITO films produced with varying deposition power 

116

5.32 – XRD spectra of ITO films produced with varying plasma source power 

117

5.33a – Ex‐situ transmittance change for a 200nm electrochromic NiO thin film  with 40mC of inserted charge 

120

5.33b – Colouration times for nickel oxide films deposited upon ITO coated  microslide substrates with varying sheet resistance 

121

5.34 – Cyclic voltammograms of electrochromic NiO films

122

5.35 – Sheet resistance measurement positions and results for ITO film  deposited upon curved polymer substrate 

124

5.36 – Typical SEM Micrographs of electron‐beam deposited NiO thin film 

126

5.37 –XRD patterns for electron‐beam deposited NiO thin films of varying  thicknesses  5.38 – XRD patterns of an electrochromic NiO thin film deposited upon an ITO‐ coated microslide substrate  5.39 – Photograph of ITO coated microslide substrate with an electrochromic  NiO layer depicting the as‐deposited, bleached and coloured appearance 

xiii     

   127    128    130

5.40 – CIE 1931 (2° standard observer) chromaticity diagram depicting ex‐situ  colour shift of optimised electrochromic NiO films from bleached to coloured 

   131

5.41 – In‐situ bleached and coloured spectra and colouration efficiency versus  wavelength for a NiO thin film 

132

5.42 – Cyclic voltammograms of electrochromic NiO films

133

5.43 – Response time versus O2 flow during deposition

135

5.44 – Colouration eff. versus O2 flow during deposition

136

5.45 – ΔT% versus O2 flow during deposition

136

5.46 – Response times and colouration efficiencies as a function of film thickness  and transmittance change  5.47 – As‐deposited, fully bleached and fully coloured in‐situ spectra for  electrochromic films of NiO with different thicknesses 

   138    139   

5.48 – In‐Situ colouration efficiency versus Wavelength for electrochromic NiO in  1.0M LiClO4‐PC electrolyte 

141

5.49 – In‐situ spectra of NiO thin films cycled 1.0M LiClO4‐PC electrolyte 

141

5.50 – In‐situ time evolution spectra for electrochromic NiO in 1.0M LiClO4‐PC  electrolyte 

   142

5.51 – In‐situ transmittance spectra for NiO films with different quantities of  inserted charge 

146

5.52 – Ex‐situ transmittance spectra for NiO films with different quantities of  inserted charge 

147

5.53 – In‐situ transmittance versus inserted charge for different wavelengths 

147

5.54 – In‐situ absorbance versus inserted charge Q for different wavelengths  

148

5.55 – In‐situ absorbance versus inserted charge with associated linear fit 

149

5.56 – Response time versus bleaching point for colouring and bleaching of NiO  film 

152  

5.57 – In‐situ bleached and coloured transmittance @ 550nm versus bleaching  point of NiO films 

152

5.58 – Typical SEM micrographs of an electrochromic Ni‐Cr oxide thin film 

154

5.59 – Typical SEM micrographs of an electrochromic Ni‐Cr oxide thin film 

155

5.60 – Photograph of ITO coated microslide substrate with an electrochromic  NiO layer following electrochromic cycling 

155

5.61 – CIE 1931 (2° standard observer) chromaticity diagram depicting the ex‐situ  xiv     

colour shift of optimised electrochromic Ni‐Cr oxide films

156

5.62 – Cyclic voltammograms of electrochromic Ni‐Cr oxide films

158

5.63 – Colouration times for films of Ni‐Cr oxide produced at varying O2 flows 

160

5.64 – CE at 10th and 100th cycle versus O2 Flow during deposition

161

5.65 – ΔT at 550nm for the 10th and 100th cycle versus O2 Flow during deposition 

161

5.66 – In‐situ spectra obtained for Ni‐Cr oxide film on ITO coated microslide  substrate in the bleached and coloured states 

162

5.67 – Typical SEM Micrographs of electron‐beam deposited TiO2 thin film 

164

5.68 – XRD patterns of an electron‐beam deposited TiO2 thin film

165

5.69 – Photograph of ITO coated microslide substrate with an electrochromic  TiO2 layer 

165  

5.70 – CIE 1931 (2° standard observer) chromaticity diagram depicting the in‐situ  colour shift of optimised electrochromic TiO2 films 

166

5.71 – In‐situ bleached and coloured spectra and colouration efficiency versus  wavelength for a TiO2 thin film 

167

5.72 – Cyclic voltammograms of electrochromic TiO2 films

169

5.73 – In‐situ transmittance spectra for TiO2 films with different quantities of  inserted charge 

171

5.74 – In‐situ transmittance versus inserted charge for different wavelengths 

171

5.75 – In‐situ absorbance versus inserted charge Q for different wavelengths 

172

5.76 – In‐situ absorbance versus inserted charge for ≈ 400nm TiO2, with  associated linear fit 

172

5.77 – Photograph of ITO coated microslide substrate with an electrochromic PB  layer 

175

5.78 – SEM micrograph of a typical PB film as electrodeposited upon ITO coated  glass microslide substrate 

175

5.79 – Time lapse photography of the first electrochromic cell produced in the  course of this work 

176

5.80 – In‐situ transmittance spectra for PB films

177

5.81 – CIE 1931 (2° standard observer) chromaticity diagram depicting the in‐situ  colour shift of optimised electrochromic PB 

178

5.82 – Cyclic voltammogram of electrochromic PB film in 1M KCl

179

5.83 – In‐situ transmittance versus inserted charge for the PW  PB transition 

180

xv     

5.84 – In‐situ transmittance versus inserted charge for the PB  PW transition 

181

5.85 – In‐situ colouration efficiency versus wavelength for the PB/PW redox  couple 

182

5.86 – In‐situ transmittance versus inserted charge for the PY  PB transition 

183

5.87 – In‐situ transmittance versus inserted charge for the PB  PY transition 

183

5.88 – In‐situ colouration efficiency versus wavelength for the PY/PB redox  couple 

184

5.89 – In‐situ transmittance versus inserted charge for the full range PY  PW  transition 

185

5.90 – In‐situ transmittance versus inserted charge for the full range PW  PY  transition 

186

5.91 – In‐situ absorbance versus inserted charge Q for different wavelengths for  the PW  PB transition 

187

5.92 – In‐situ absorbance versus inserted charge for PW  PB transition 

187

5.93 – In‐situ absorbance versus inserted charge Q for different wavelengths for  the PB  PY transition 

188

5.94 – In‐situ absorbance versus inserted charge Q for different wavelengths for  the PY  PB transition 

189

5.95 – In‐situ absorbance versus inserted charge for PB  PY transition

189

5.96 – In‐situ absorbance versus inserted charge for PY  PB transition with  associated linear fit 

190

5.97 – Typical SEM micrograph images of an electron‐beam deposited WO3 thin  film 

192

5.98 – Typical SEM micrograph surface images of an electron‐beam deposited  WO3 thin film 

192

5.99 –XRD patterns of an electron‐beam deposited WO3 thin film

193

5.100 – Photograph of ITO coated microslide substrate with an electrochromic  WO3 layer 

      194 

5.101 – CIE 1931 (2° standard observer) chromaticity diagram depicting the in‐ situ colour shift of optimised electrochromic WO3 

195

5.102 – Bleached and coloured spectra and colouration efficiency versus  wavelength for a WO3 thin film 

196

5.103 – Cyclic voltammograms of electrochromic WO3

197

xvi     

5.104 – In‐situ transmittance spectra for WO3 films (480nm thickness) with  different quantities of inserted charge 

199

5.105 – In‐situ transmittance versus inserted charge for different wavelengths 

200

5.106 – In‐situ absorbance versus inserted charge Q for different wavelengths  

200

5.107 – In‐situ absorbance versus inserted charge for WO3, with associated linear  201 fit  5.108 – Agar + KOH electrolyte based device pictured in coloured and bleached  states 

205

5.109 – Empty electrochromic cell constructed from glass

206

5.110 – Completed electrochromic device following construction; on paper and  in front of screen 

207

5.111 – Cyclic voltammograms of device constructed with Agar + LiTFMS  electrolyte 

208

5.112 – Ex‐situ spectra obtained for bleached and coloured transmittance of the  device 

209

5.113 – Picture of the device after testing

210

5.114 – NiO / WO3 and NiO / TiO2 large area devices

211

5.115 – Ex‐situ spectra obtained for bleached and coloured transmittance of a  large area ITO / NiO / Agar + Lithium TFMS / WO3 / ITO device 

212

5.116 – CIE 1931 (2° standard observer) chromaticity diagram depicting the ex‐ situ colour shift of a large area ITO / NiO / Agar + Lithium TFMS / WO3 / ITO  device                       

xvii     

213

          Page Intentionally Blank                                             

xviii     

Contents  Abstract ............................................................................................................ i  Declaration ..................................................................................................... iii  Acknowledgements.......................................................................................... v  List of Symbols and Abbreviations ................................................................... vii  List of Figures ....................................................................................................x  Contents ........................................................................................................ xix  Chapter 1 – Introduction .................................................................................. 1  1.1 – What is ‘Electrochromism’? ............................................................................. 1  1.2 – A Typical Electrochromic Device ...................................................................... 2  1.3 – Applications of Electrochromism ..................................................................... 4  1.4 – Objective and Scope of investigation ............................................................... 6    Chapter 2 – Theory ........................................................................................... 9  2.1 – Electronic Band Structure................................................................................. 9  2.2 – Electrochemistry of Electrochromism ............................................................ 13  2.3 – Optical Theory and Performance Measurement ........................................... 15  2.3.1 – Optical Theory ..................................................................................... 15  2.3.2 – Performance Measurement ................................................................ 19  2.3.3 – Quantification of Colour ...................................................................... 23    Chapter 3 – Materials and Methods ................................................................ 28  3.1 – Inorganic Electrochromic Materials ............................................................... 28  3.1.1 – Overview ............................................................................................. 28  3.1.2 – Electrochromes of Interest .................................................................. 33  3.2 – Transparent Conductive Oxides ..................................................................... 41  3.3 – Thin Film Deposition....................................................................................... 43  3.3.1 – Overview of Techniques ...................................................................... 43  xix     

3.3.2 – Techniques of Interest......................................................................... 46  3.3.3 – Film Thickness Control ........................................................................ 53  3.4 – Physical Characterisation ............................................................................... 55  3.4.1 – Scanning Electron Microscopy ............................................................ 55  3.4.2 – Energy Dispersive X‐Ray ...................................................................... 57  3.4.3 – X‐Ray Diffraction (XRD) ....................................................................... 57  3.5 – Electrochemical Characterisation .................................................................. 59  3.5.1 – Cyclic Voltammetry ............................................................................. 60  3.5.2 – Chrono Amperometry ......................................................................... 61    Chapter 4 – Experimental ............................................................................... 62  4.1 – Thin Film Deposition....................................................................................... 62  4.1.1 ‐ Substrates ............................................................................................ 62  4.1.2 – Optimal UCS40 Commercial Ultrasonic Cleaning System ................... 63  4.1.3 – Satis MSLab 370 Electron Beam Evaporation System ......................... 64  4.1.4 – MicroDyn 40000 Series Microwave‐Assisted Commercial Pulsed DC  Magnetron Sputtering System ........................................................................ 66  4.1.5 – CVC AST 304 ........................................................................................ 68  4.1.6 – AML PlasmaCoat Plus II ....................................................................... 69  4.1.7 – Substrate Masking ............................................................................... 70  4.1.8 – Substrate Holder Tooling .................................................................... 71  4.2 – Optical Characterisation ................................................................................. 72  4.2.1 – Hitachi U‐3501 Spectrophotometer .................................................... 72  4.2.2 – Aquila Instruments nkd‐8000 Spectrophotometer ............................. 73  4.3 – Physical Characterisation ............................................................................... 74  4.3.1 – Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X‐Ray .............. 74  4.3.2 – X‐Ray Diffraction (XRD) ....................................................................... 75  4.3.3 – Stylus Profilometry .............................................................................. 76  4.3.4 – Sheet Resistance Measurement .......................................................... 76  4.4 – Electrochemical Analysis ................................................................................ 77  4.4.1 ‐ Instrumentation ................................................................................... 77  4.4.2 – Electrolytes .......................................................................................... 78  4.4.3 – Cyclic Voltammetry ............................................................................. 79 

xx     

4.4.4 – Chrono Amperometry ......................................................................... 79  4.5 –Spectroelectrochemical Analysis..................................................................... 80    Chapter 5 – Measurements, Results & Discussion ........................................... 82  5.1 – Commercial Scalability ................................................................................... 83  5.1.1 – Preliminary Work ................................................................................ 83  5.1.2 – Development of Substrate Tooling for the MicroDyn 40000 Series  Commercial Sputtering System ....................................................................... 86  5.1.2 – Development of Substrate Tooling for the Satis MSLab 370  Commercial Scale Electron Beam Deposition System .................................... 92  5.2 – Acquisition of Spectroelectrochemical Data .................................................. 94  5.2.1 – Electrochemical Cell 1 and Hitachi U‐3501 ......................................... 94  5.2.2 – Broadband spectroelectrochemical measurement ............................ 98  5.2.3 – Spectroelectrochemical Cell 2 ........................................................... 102  5.2.4 – Synchronised Recording .................................................................... 104  5.3 – Indium Tin Oxide (ITO) ................................................................................. 108  5.3.1 – Optical and Physical Properties ......................................................... 108  5.3.2 – Effect of Oxygen Flow During Deposition ......................................... 112  5.3.3 – Effect of Deposition Power / Rate ..................................................... 115  5.3.4 – Effect of PlasmaCoat Hollow Cathode Plasma Source ...................... 116  5.3.5 – Effect of TCO sheet resistance upon electrochromic performance .. 118  5.3.6 – Deposition of ITO upon Curved Substrates ....................................... 123  5.4 – Nickel Oxide .................................................................................................. 125  5.4.1 – Physical Properties ............................................................................ 125  5.4.2 – Electrochromic Properties ................................................................. 129  5.4.3 – Effect of O2 process gas flow on electrochromic films of NiO .......... 134  5.4.4 – Effect of Film Thickness ..................................................................... 137  5.4.5 – Lithium and hydroxide based electrolytes ........................................ 140  5.4.6 – Linearity of Colouration..................................................................... 143  5.4.7 – Bleach Point Selection ....................................................................... 150  5.4.8 – Final Thoughts and Feasibility ........................................................... 153  5.5 – Nickel‐Chromium Oxide ............................................................................... 154  5.5.1 – Physical Properties ............................................................................ 154  5.5.2 – Electrochromic Properties ................................................................. 155  xxi     

5.5.3 – Effect of O2 Flow during Sputtering................................................... 159  5.5.4 – Final Thoughts and Feasibility ........................................................... 162  5.6 – Titanium Oxide ............................................................................................. 163  5.6.1 – Physical Properties ............................................................................ 163  5.6.2 – Electrochromic Properties ................................................................. 165  5.6.3 – Linearity of Colouration..................................................................... 169  5.6.4 – Final Thoughts and Feasibility ........................................................... 173  5.7 – Prussian Blue ................................................................................................ 174  5.7.1 – Preparation ........................................................................................ 174  5.7.2 – Physical Properties ............................................................................ 174  5.7.3 – Electrochromic Properties ................................................................. 176  5.7.4 – Effect of Inserted Charge................................................................... 180  5.7.5 – Linearity of Colouration..................................................................... 186  5.7.6 – Final Thoughts and Feasibility ........................................................... 190  5.8 – Tungsten Oxide............................................................................................. 191  5.8.1 – Physical Properties ............................................................................ 191  5.8.2 – Electrochromic Properties ................................................................. 194  5.8.3 – Linearity of Colouration..................................................................... 198  5.8.4 – Final Thoughts and Feasibility ........................................................... 201  5.9 – Summary of Electrochromic Properties ....................................................... 202  5.10 – Devices ....................................................................................................... 204  5.10.1 – Preparation of Electrolytes ............................................................. 204  5.10.2 – Test Devices ..................................................................................... 205  5.10.3 ‐ Larger Area Devices ......................................................................... 210    Chapter 6 ‐ Conclusions ................................................................................. 214  6.1 – Summary of Conclusions .............................................................................. 214  6.2 – Suggestions for Future Work ........................................................................ 217    Bibliography ................................................................................................. 219  Appendices ................................................................................................... 244 

xxii     

Chapter 1 – Introduction   

1.1 – What is ‘Electrochromism’?    The term ‘chromism’ refers to a process that results in the reversible change of colour  in  a  compound.  This  may  be  caused  by  a  variety  of  different  stimuli  or  reactions.  An  area  of  chemistry  producing  wide  and  varied  chromism  is  that  of  the  reduction/oxidation or ‘redox’ reaction. Redox reactions very often result in the colour  change of a compound, and many but not all redox reactions are reversible.   A great many colour‐change inducing redox reactions have been discovered since the  early  19th  century,  one  of  the  most  notable  being  that  of  the  redox  colouration  of  Prussian Blue (albeit irreversible in its early applications dating back to as far as 1704  and therefore not strictly ‘chromic’) [1]. As chemical indicators, reversible (and hence,  truly  ‘chromic’)  redox  reactions  have  encouraged  a  great  deal  of  interest  and  advancement  since  the  first  ‘definite’  reversible  redox  indicator,  diphenylamine,  was  discovered by J. Knop in 1925 [2]. In 1930, Kobosew and Nekrassow displayed the first  recorded  incidence  [1]  of  the  electrochemically  induced  colour  change  of  a  solid,  through  the  reduction  of  tungsten  trioxide  in  acid  electrolyte,  which  by  the  method  employed  was  found  to  be  irreversible  [3]  and  therefore  not  true  ‘chromism’.  However, two decades later Brimm et al. extended this work on tungsten trioxide and  demonstrated  a  true  reversible  colour  change  [4].  The  study  of  electrochromism  was  then  developed  further  and  gained  greater  interest  from  the  wider  scientific  community following landmark studies by Deb [5].  Where chromism occurs through initiating and / or controlling the redox reaction (and  subsequent  change of  colour  and  /or other  property,  i.e.  transmittance)  by means  of  an electric current it can be said to be ‘electrochromic’. However there are cases where  this term may refer to other phenomena, and it was first coined in the description of a  molecular Stark effect in 1961 [6], [7]. Also it is often and perhaps unfortunately, used  to  describe  a  suspended‐particle‐device  or  ‘SPD’  window,  which  is  a  completely  different technology and as Monk et al. suggests, may ‘damage the reputation’ of true 

1     

redox‐based electrochromic technology [1]. Additionally, the term has found use in the  description  of  electrokinetic‐colloidal  systems  and  incorrectly,  in  some  gasochromic  window  systems.  For  the  purpose  of  this  thesis,  the  term  is  used  to  describe  electrochromism in the generally accepted redox sense.  These materials  and subsequently,  devices, have experienced  and continue  to attract  much interest and investigation due to their significant potential in many applications  including; smart windows, dimmable mirrors, battery charge indicators, sunglasses and  display devices.    In  almost  all  known  situations where  true  electrochromism  occurs  and  is  deliberately  initiated, the redox reaction and subsequent colour or transmittance change occurs as  a  result  of  ion  insertion  and  extraction  [1]  (known  as  ‘intercalation’  and  ‘deintercalation’ respectively). Those materials which colour upon reduction (insertion  of anions or extraction of cations) are said to be ‘cathodic’ electrochromes, while those  which colour in response to the oxidation (extraction of anions or insertion of cations)  are ‘anodic’ electrochromes.  One of the largest and widely researched groups of electrochromically active materials  is that of the inorganic transition metal oxides, of which some species exhibit anodic,  cathodic or even mixed electrochromism.   

1.2 – A Typical Electrochromic Device    As  a  result  of  the  continuing  development  of  electrochromic  devices,  many  different  permutations of device configuration have been realised. All consist of varying types of  ‘cell’, which adopt the use of electrodes, some form of ion storage, ion transport and  the electrochromic material which may be present on the anode or cathode depending  on its operation.  This cell is then usually encapsulated inside some form of clear inert  material, e.g. glass or a substrate. 

2     

The configuration most commonly adopted in most devices is the layered cell and it is  this  type  which  is  given  by  Granqvist  as  the  ‘most  important’  [8],  and  is  certainly  the  most utilised [9]–[12].     Figure 1.1 shows a typical layered cell configuration: 

  Figure 1.1 – A Simple Electrochromic Cell              (1) Substrate  (2) Transparent conductor  (3) Ion storage material  (4) Ion transport / electrolyte   (5) Electrochromic material  (Diagram based upon [8] – Ch. 1, Fig 1.1,  Page 2)      Both the ion storage (3) and electrochromic material (5) layers must be capable of the  conduction of both electrons and the required ions. This conduction of ions occurs via  an ‘intercalation’ process, whereby the host material structure is penetrated by a guest  ion resulting in modification of the host compound. In some cases, depending on the  materials  being  employed,  the  ion  storage  layer  might  also  be  an  electrochromic  material, and then its electrochromic property must be complementary to that of the  electrochromic  layer  [8]  so  that  the  device  provides  the  desired  chromic  properties.  Since  having  two  electrochromic  layers  contributing  to  the  cell  can  often  lead  to  greater overall chromic effect [8], [13], it is often a desired characteristic and such cells  are known as ‘complementary devices’ [1], [8].  

3     

The  ion  transport material  (4)  can  be  in  the  form  of a;  liquid,  gel,  solid or  quasi‐solid  electrolyte  material  and  must  possess  high  ionic  conductivity  whilst  also  acting  as  an  electron  insulator.  Conversely,  the  transparent  conductors  require  good  electron  conductivity without the need to conduct ions.  Inside  such a  device,  the  application of electrical  potential  to the electrodes  provides  an electromotive force [1] in the cell which in turn provides the energy required for the  redox reaction to take place. Depending upon the electrochromic material in use, the  intercalation or deintercalation which occurs at this point results in the desired change  in colour or other optical property.   

1.3 – Applications of Electrochromism    It was not long after the initial discovery of electrochromism that suggestions for the  commercial uses of electrochromic devices came about, the earliest example which is  widely  cited  being  the  British  patent  filed  by  F.  H.  Smith  in  1929  where  in  a  clear  solution containing an iodide and dye precursor develops a colour when an electrical  current  is  passed  through  it,  and  returns  to  its  bleached  state  upon  removal  of  the  electrical current [14]. Following this there were a number of early patent applications  whereby  electrochromism  was  employed  to  provide  changes  of  colour  [15],  level  of  light transmittance [16], and even reflectivity [17], [18].  Since these early patents, thousands more have followed, along with a very large and  increasing  number  of  publications.  The  most  commonly  cited  applications  of  recent  times  being  that of  dimmable  mirrors  [1],  [8],  [10],  [19]–[21]  and  smart  windows  [1],  [8], [22]–[24].  Other  potential  applications  which  have  been  identified  and  have  subsequently  attracted attention include; display devices of various types [1], [8], [25]–[32], printing  mediums  [1],  [32]  including  security  marks  [33],  [34],  detection  of  latent  fingerprints  [35],  [36],  battery charge  indicators  [37],  thermal exposure  indicators  for  frozen  food  [38],  motorcycle  visors  [39],  [40],  sunglasses  [41],  [42]  and  even  coatings  for  stealth  military aircraft [43]  4     

Generally  speaking,  all  of  these  applications  will  involve  a  device  operating  in  a  reflective mode, transmissive mode, or derivative thereof.   

  Figure  1.2  –  Illustration  depicting;  reflective  (1),  transmissive  (2),  transmissive/reflective  (3)  and  diffuse/absorbing  (4)  electrochromic  devices.  Arrows indicate path and intensity of incident electromagnetic radiation (light).  A similar representation has been presented by Granqvist [8].      Figure  1.2  provides  an  illustration  of  electrochromic  devices  operating  in  various  modes. Device permutations utilising these traits may be realised to provide different  functionality, e.g.: 

5     



Purely transmissive electrochromics may be used for various technologies such  as optics, eyewear and smart windows. 



Transmission  varying  electrochromes  with  reflective  electrodes  as  in  the  reflective case, 2 above, may be used for dimmable mirrors. 



Transmissive  /  reflective  electrochromic  devices,  such  as  those  constructed  with Cu and Bi [44], [45], may be used for switchable mirrors. 



Display  devices  may  be  realised  by  combining  transmission  varying  electrochromes with a diffuse white backing or electrode. 

 

1.4 – Objective and Scope of investigation    The  primary  aim  of  this  investigation  is  the  development  of  electrochromic  materials  and  devices  suitable  for  commercial  scale  production  with  a view  toward  inclusion  in  wearable optics, where the optical transmittance properties need to be reversibly and  quickly  changed  over  a  significant  range.  The  main  purpose  of  which  is  providing  continuous,  comfortable  and  safe  vision  for  the  wearer,  even  when  the  wearer  encounters  a  wide  variety of  ambient  lighting,  as  can  occur  when  a  car  driver  passes  from  bright  sunlight  to  a  dimly  illuminated  tunnel,  and  vice  versa.  This  work  is  important since at the point of writing, no suitably mature technology exists to satisfy  these  requirements  and  most  studies  concentrate  upon  methods  or  work  upon  equipment which is not directly scalable.  Concentrating  upon  suitable  candidates  for each  layer  of  a  solid  state  electrochromic  device, characterisation and testing of materials will facilitate  further investigation of  the  deposition  processes  required,  such  that  greater  understanding  and  insight  will  allow  films  which  are  both  reproducible  on  a  commercial  scale  and  optimised  for  electrochromic device application.     

6     

For  a  device  to  be  realised,  each  layer  described  in  figure  1.1  requires  investigation.  The objectives and scope required for this project can be summarised as follows:    

Selection,  optimisation  and  deposition  of  a  suitable  transparent  conductive  oxide (TCO) material for transparent conductor layers (2 – figure 1.1) 



Investigation of inorganic electrochromic materials and / or ion storage layers,  suitable  deposition  techniques  and  conditions  for  both  anode  and  cathode  such that optimisation for eyewear application can be performed with respect  to;  safety,  colour,  speed  of  operation,  longevity,  efficiency  and  commercial  scalability.  (3, 5 – figure 1.1) 



Realisation of a suitable method of determining the electrochromic properties  of  a  material  or  device  via  the  in  situ  investigation  of  optical  properties  in  parallel 

with 

electrochemical 

manipulation 

and 

data 

acquisition 

(spectroelectrochemical characterisation).   

Further  characterisation  of  films  by  FESEM,  EDX,  XRD,  CV,  EIS  and  optical  spectroscopy,  and  subsequent  examination  of  the  relationship  between  the  acquired  data  and  the  deposition  conditions  /  resultant  electrochromic  performance. 



Optimisation  of  deposition  conditions  for  the  reliable  and  reproducible  production of efficient and durable electrochromic materials and devices. 



Development  of  suitable  substrate  masking  arrangements  for  the  deposition  and subsequent assembly of electrochromic devices. 



Development  and  production  of  demonstration  devices  and  functional  device  prototypes.  



Investigation  into  suitable  methods  of  controlling  and  enhancing  electrochromic devices. 

       

7     

This thesis is structured as follows:  

The  remainder  of  chapter  1  provides  an  introduction  into;  what  the  phenomenon of electrochromism is, its beginnings, how it works, basic device  structure,  and  a  summary  of  the  wide  and  varied  applications  of  electrochromism. 



Chapter  2  explores  the  theory  behind  electrochromism  and  the  mechanisms  behind electrochromic behaviour. 



Chapter  3  provides  background  to  those  materials  which  display  electrochromism, specifically inorganic materials, and identifies which of these  materials are of interest for the purposes of this investigation. Other materials  which  are  required  in the creation  of electrochromic  devices  (i.e.  transparent  conductive  oxides)  are  also  investigated,  as  are  the  processes  employed  in  both  the  deposition  and  characterisation  of  each  of  the  thin  film  material  layers which make up an electrochromic device. 



Chapter  4  summarises  the  materials,  methods  and  equipment  employed  and  developed in the course of this thesis. 



Chapter 5 presents the investigations undertaken and results produced in the  course of this work, with relevant discussion of the produced results. 



Chapter 6 summarises and concludes the achievements and findings produced  throughout  the  project  and  presented  in  this  thesis,  before  presenting  suggestions for future work. 

               

8     

Chapter 2 – Theory  2.1 – Electronic Band Structure   

All  solid  materials  possess  what  is  known  as  an  electronic  band  structure.  The  electronic  band  structure  of  the  material  refers  to  the  possible  (and  discrete)  energy  states  which  electrons  within  the  material  (as  contributed  by  the  outer  orbitals  of  atoms comprising the material) may possess, and is responsible for determining both  the  optical  and  electronic  properties  of  a  material.  The  two  most  important  energy  bands are known as the conduction band (the highest energy band containing mobile  electrons) and the valence band (the band immediately below). The gap between these  two  bands  comprises  a  forbidden  area  known  as  the  material  ‘band  gap’  where  no  allowed electron states exist in pure materials. At temperatures above absolute zero,  electrons within the material may occupy the valence and/or conduction bands. A full  valence band with an unoccupied conduction band results in an insulating material, if  the  energy  gap  is  very  much  greater  than  the  available  thermal  energy  while  a  half‐ filled  conduction  band  results  in  a  conductor.  In  pure  (intrinsic)  semiconductors  the  energy  gap  is  comparable  to  the  available  thermal  energy  and  some  electrons  are  promoted  to  the  conduction  band,  leaving  unoccupied  states  (holes)  in  the  valence  band. Overlapping and thus partially filled bands also occur, allowing electrons to move  freely  to  unoccupied  states  and  resulting  in  electrical  conductivity  and  metallic  behaviour.  The  point  at  which  the  probability  of  an  energy  state  being  occupied  is  equal to ½, is referred to as the ‘Fermi level’.  The  position  of  the  Fermi  level  is  unique  to  a  material  and  is  dependent  upon  its  structure. In a perfectly pure, crystalline material such as sodium chloride (NaCl), atoms  will  form  a  regular  lattice  comprising  of  identical  repetitive  units  (figure  2.2).  Any  disorder  will  result  in  changes  in  the  structure  and  subsequently  affect  the  material  band  gap.  Disorder  may  result  from  contamination,  deliberate  doping  with  foreign  atoms  or  groups,  internal  displacement  of  atoms  or  groups  within  the  material  (vacancies), or lack of crystallinity (i.e. amorphous nature). 

9     

Vacancies  and  substitute  atoms  or  groups  may  lead  to  localised  band  gap  states  or  ‘tails’  which  may  act  to  reduce  or  even  bridge  the  band  gap  thereby  influencing  the  materials behaviour [46].    

  Figure 2.1 – Density of states representation of electronic band structure for a  material,  depicting  the;  valence  band,  conduction  band,  band  gap  and  Fermi  level at absolute zero. Where the band gap of a material is great it will exhibit  insulator  behaviour  (a),  whereas  where  the  band  gap  is  small  it  will  exhibit  semi‐conductor behaviour (b). Conductive ‘metals’ may be represented by and  overlap of the valence and conduction bands (c).   

  Figure  2.2  [47]  –  Three  dimensional  representation  of  sodium  chloride  (NaCl)  cubic lattice crystalline structure (also known as a rock salt or halite structure)  comprising of repeating Na+‐Cl‐‐Na+‐Cl‐ units where each positive sodium ion is  surrounded by six negative chlorine ions (and vice versa) forming consecutive  octahedral units.  10     

In  this  more  complex  scenario  the  original  energy  band  positions  comprising  the  majority  of  the  material  constitute  the  ‘extended  states’,  and  the  energy  separating  these extended states from the localised states is known as the mobility edge (figure  2.3).  

  Figure 2.3 ‐ Density of states representation of electronic band structure for a  disordered  material,  depicting  the  existence  of  localised  states  or  ‘band  tails’  and  the  position  of  the  mobility  edge  which  separates  the  extended  states  from  the  localised  states.  The  conduction  and  valence  bands  represent  the  extended states of the bulk.     Doping of a material structure with substitute foreign atoms or groups may also result  in  the  creation  of  additional  discrete  permitted  energy  levels  within  the  band  gap  (figure 2.4). Depending upon the number of electrons present in its outer valence shell,  the  doping  material  may  act  as  an  electron  donor  or  acceptor,  or  n‐type  or  p‐type  dopant  respectively.  The  inclusion  of  a  dopant  will  affect  the  position  of  the  Fermi  Level energy and reduce the energy required for electrons within the material to move  between states, thereby enhancing the electron mobility of the material.  In  the  case  of  the  transition  metal  oxides,  the  position  of  the  transition  metal  Fermi  level  (in  its  oxide  state)  will  determine  the  optical  and  electrical  properties  of  the  material and what type (if any) of electrochromism will take place. Where the band gap  energy of the material is larger than the energy of incident electromagnetic radiation,  there is no interaction with electrons and thus no absorption, resulting in a transparent  material. If the incident electromagnetic radiation energy exceeds the band gap of the  material, it will interact and the material will become absorbing.  

11     

  Figure  2.4  ‐  Density  of  states  representation  of  electronic  band  structure  for  doped  semiconductor  materials,  with  n‐type  (left)  and  p‐type  (right)  doping.  The  addition  of  a  dopant  facilitates  the  existence  of  a  new  permitted  state  within the band gap of the material.     The desirable properties of transparent conductive oxide (TCO) materials also rely on  the electronic band structure and the position of the Fermi level within the band gap of  indium‐tin oxide (ITO). The high transmittance of ITO in the visible region is due to the  electronic  band  structure  of  the  material  possessing  a  wide  band  gap  with  a  low  absorption edge which is found to shift to shorter wavelengths due to Moss‐Burstein  shift [48], [49]. However, Sn atoms act as n‐type electron donors, resulting in creation  of a donor band just below the conduction band. As the level of doping increases, this  band increases in size until it reaches a critical density [48] and begins to overlap the  conduction  band  resulting  in  degenerate  free  electron  behaviour.  This  is  responsible  for the electrical conductivity and high IR absorption typical of ITO films  as IR photons  can excite electrons from the conduction band to higher states in the conduction band  (IR  absorption  is  found  to  increase  with  conductivity  of  the  films).  Oxygen  vacancies  within the material are also a critical factor in the conductivity and optical properties of  ITO  and  contribute  by  affecting  the  oxidation  state  and  subsequently  the  number  of  valence electrons that the doping Sn atoms may contribute.    

12     

2.2 – Electrochemistry of Electrochromism   

Electromotive force (EMF) refers to electromotive work per unit of charge, and is given  as an electrical potential (in volts).  In terms of a charging electrochemical cell, which  an electrochromic device represents, the EMF that will ‘drive’ electrons liberated at the  anode through the cell is proportional to the Gibbs free energy change, which is most  often defined as:     

(1)

Where 

represents the Gibbs free energy, 

is the enthalpy change of the reaction, 

 is the entropy change for the process itself and   represents temperature.    The  relationship  between  the  Gibbs  free  energy  and  the  EMF  may  therefore  be  expressed by:      Where 

(2)   is  the  number  of  moles  of  electrons, 

96485.3365 /

  is  the  Faraday  constant  (

) and V represents the EMF in volts. 

  As  discussed  briefly  in  chapter  1,  the  application  of  electrical  potential  to  the  electrodes  of  an  electrochromic  cell  (as  represented  in  figure  1.1)  provides  an  electromotive  force  to  the  cell  [1],  [50].  Since  the  electrolyte  itself  will  not  conduct  electrons,  an  electrical  charge  will  present  itself  on  the  surface  of  the  electrodes.  At  this point positively charged cations are attracted toward the cathode while negatively  charged  anions  move  toward  the  anode  (figure  2.5)  due  to  a  process  known  as  electrophoresis [51]. Upon contact with the respective electrodes, a charge balancing  redox reaction will take place where electrons are exchanged. Since electrons are many  times smaller than the ionic groups, their transport is fast and therefore the reaction  occurs  at  the  surface  of  the  material  [50],  [52].  At  a  porous  electrode,  these  ions  13     

diffuse  into  the  surface  to  occupy  their  respective  positions  at  the  most  negatively  charged locations within the material structure [50], [52].   This  intercalation  reaction results  in  a  change  of  position of the materials  Fermi  level  (Figure  2.6)  and  thus  its  optical  properties  as  described  in  2.1.  The  electrical  conductivity and magnetic properties [53]–[55] may also be affected by this change.     

  Figure 2.5 – Diagram representation of the intercalation process at the surface  of  an  electrochromic  cathode.  Positively  charged  ions  are  attracted  to  the  cathode  to  meet  with  negatively  charged  electrons  to  undergo  a  charge  balancing redox reaction and diffuse into the structure of the material [50] (not  to scale). The opposite of this process occurs during deintercalation; however  the diffused ions may remain within the film itself, while not being bonded to  it.     

14     

  Figure  2.6  ‐  Density  of  states  illustration  of  electronic  band  structure  for  an  electrochromic material, depicting the movement of the material Fermi level as  a result of ionic intercalation and de‐intercalation. Band tails are shown since it  is typical for many electrochromic materials to be disordered.      

2.3 – Optical Theory and Performance Measurement   

2.3.1 – Optical Theory    Transmittance  is  the  fraction  of  incident  electromagnetic  radiation  which  passes  through  a  sample.  It  is  wavelength  dependent  and  in  its  simplest  form  can  be  represented by the following equation:    (3)

   

Where transmittance T, at wavelength λ is given by the ratio between I0, the intensity  of  the  incident  radiation,  and  I,  the  intensity  of  the  radiation  emerging  from  the  sample.     Light consists of electromagnetic radiation, which itself is a form of energy. Since the  law  of  conservation  of  energy  specifically  states  that  energy  cannot  be  created  or 

15     

destroyed,  light  which  is  not  transmitted  must  either  be  reflected  or  absorbed,  therefore (for a non‐fluorescing material):    1

 

(4)

Where  ,    and    represent  the  fraction  of  incident  light  being  transmitted,  reflected or absorbed at wavelength λ respectively.    The refractive index of a material,  , is representative of how light propagates through  a material and is defined as:     

(5)

 

Where    is  the  speed  of  light  in  a  vacuum  and    is  the  speed  of  light  through  the  material.    Since  a  fraction  of  light  will  be  absorbed  by  the  material,  the  complex  index  of  refraction,  , is used:     

(6)

Where  the  real  part    is  the  refractive  index  and    determines  the  loss  due  to  absorption.    At  a  simple  (i.e.  non‐scattering)  interface  between  two  different  materials  (0  and  1),  incident light (at angle 

) may only be transmitted or reflected (figure 2.6). A fraction 

of  the  incident  light  will  be  reflected  away  from  the  interface  while  the  remainder  is  transmitted at a different angle  , given by Snell’s law:     

(7)

   

16     

  Figure  2.7  –  Transmitted  and  reflected  light  at  an  interface  between  two  materials with complex refractive indices   and  .    The  coefficients  of  transmission  and  reflection  can  be  calculated  from  Fresnel  equations [56]:    

Tp 

2 N 0 cos 0   N 0 cos1  N1 cos 0

(8)

Rp 

N1 cos 0 - N 0 cos1   N1 cos 0  N 0 cos1

(9)

Ts 

2 N 0 cos  0   N 0 cos  0  N 1 cos 1

(10)

Rs 

N 0 cos 0 - N1 cos1   N 0 cos 0  N1 cos1

(11)

   

   

   

Where   and  , and   and   are the transmission and reflection amplitudes for p‐ polarised and s‐polarised light respectively.    The  Fresnel  equations  require  that  the  polarisations  of  the  light,  p‐polarised  and  s‐ polarised,  are  distinguished  from  one  another  since  two  beams  of  light  may  not  17     

interfere when at right angles to each other, as discovered in 1816 by Fresnel [57]. p‐ polarised light refers to the component which possesses an electric field parallel to the  plane of incidence, while s‐polarised light refers to the component with an electric field  which is perpendicular to the plane of incidence. At normal incidence the p‐polarised  and s‐polarised components are equal (for isotropic materials).  When  considering  light  passing  through  a  thin  film  with  a  thickness  ,  one  must  consider both the interface where light enters the film, and the interface where light  exits the film. This situation is depicted in figure 2.8 below.   

  Figure  2.8  –  Diagram  depicting  light  passing  through  a  thin  film  of  finite  thickness  .  Note  the  existence  of  multiple  reflections  and  transmissions  resulting  from  a  single  incident  beam  (which  repeat  indefinitely  creating  interference).    represents  the  substrate  for  a  deposited  film.  As  one  may  appreciate this scenario quickly becomes very complex for multi‐layer systems.    Interference  occurs  between  the  beams  transmitted  and  reflected  from  the  two  interfaces.  To  account  for  this  and  calculate  absolute  transmittance  and  reflectance  values, the phase shift φ on reflection, which occurs between the subsequent beams  reflected internally within the film, must be determined. For the situation above [58]:      

φ

2

cos

18     

 

(12)

To simplify the process of calculation, especially in the case of multi‐layer systems, it is  possible to assign a characteristic 2x2 matrix, to each layer of the system [58]:   

sin ⁄ cos

cos sin

 

1

(13)

 

Where  B  and  C  are  the  normalised  total  tangential  electric  and  magnetic  fields  [58],  and    cos

(14)

 

cos

for p‐polarised light, and [58]     

cos

cos

(15)

 

for  s‐polarised  light,  where;    is  the  permittivity  of  free  space,  index and 

 is found from Snell’s law (

the incident medium and 

sin

sin

  is  the  substrate  ). 

 is the index of 

 is the angle of incidence. 

  Adopting  this  approach,  one  can  expand  the  characteristic  matrix  to  multi‐layer  systems,  whereby  each  layer  contributes  to  the  characteristic  matrix  of  the  system  [58]:    

 

cos sin

sin ⁄ cos

1

(16)  

 

Where  q  represents  the  number  of  layers  deposited  upon  the  substrate  and 

 

represents the substrate, or for a free‐standing film, the emergent medium (e.g. air)   

2.3.2 – Performance Measurement    For  any  scientific  study,  means  of  quantification  are  required  to  be  able  to  compare  and contrast results. Indeed, there are many properties with regard to electrochromic  19     

materials and devices which warrant interest and investigation. However some of the  most  widely  quoted  and  accepted  measures  of  electrochromic  performance  which  almost all studies make reference to are that of:  

Transmittance Change  



Response Time 



Colouration Efficiency 



Longevity 

 

Transmittance change    Transmittance  change  or  ΔTλ  may  be  quantified  as  either  the  maximum  change  of  transmittance  achievable  by  the  material  or  device,  or  the  change  achieved  for  a  certain  quantity  of  inserted  charge  Q,  at  a  certain  wavelength  λ  and  measured  as  a  percentage value.      (17)

   

Alternatively this performance measure may be given as a related quantity such as; the  contrast  ratio  (CR),  a  common  measure  employed  for  display  devices  [1],  or  a  percentage  with  respect  to  variation  in  luminous  transmittance,  Y  as  defined  later  in  2.3.3.   

Response Time    

The  response  time  or  ‘transition  time’  of  an  electrochromic  material  or  device  is  defined  as  the  time  taken  for  the  sample  to  switch  between  coloured  and  bleached  states.  Typically,  a  faster  response  is  always  desirable,  however  the  significance  of  response  time  as  a  quantitative  measure  of  performance  depends  heavily  upon  the 

20     

desired application, and in some applications a slower transition speed may be desired  [27].   As has been noted for other measures such as transmission change, valid comparison  of the published values in much of the literature is impossible due to lack of consistent  measurement  [1].  Two  common  approaches  to  the  repeatable  and  definite  measurement of response are; measurement of the magnitude of transmission change  or  contrast  achieved  after  a  specific  amount  of  time  has  passed,  i.e.  ΔTachieved,  or  alternatively, and most commonly, recording of the time required to achieve a desired  transmission change (ΔT) or contrast. How these figures are derived is often unique to  the study being presented, as in the case of studies which claim to present time taken  for  ‘full  switching’  or  a  percentage  (i.e.  ΔT95%).  Such  inconsistency  makes  direct  comparisons between studies difficult, especially since colouration with respect to the  presented transmission is rarely, if ever, linear.   Over the course of the work performed in this thesis, different methods of quantifying  response time have been investigated. Herein (with the exception of papers 1 and 2),  response times are presented as a variation of approach two as described above. For  colouration, it is given as the time taken to insert a set quantity of charge Q (in mC) for  an electrode of known surface area. Since the inserted charge is directly proportional  to  the  number  of  colour  centres  reduced  or  oxidised  within  the  material  [1],  [8],  it  results in a repeatable colour change (where the reaction is desirably reversible) whilst  providing  a  directly  comparable  value  for  other  studies  of  materials;  irrespective  of  thickness or deposition technique. If an absolute definition of this type was able to be  established across the field, it would allow for accurate comparisons of data produced  by different research groups [1].  In order to ensure that the point at which the charge is inserted is also constant, it is  required  that  a  second  approach  to  be  taken  for  the  bleaching  of  devices.  This  is  because  the  inserted  and  extracted  charges  are  rarely  (if  ever)  equal,  due  to  wasted  currents  as  a  result  of  other  electrode  processes  occurring.  Therefore  to  achieve  repeatability  and  consistency,  the  bleach  point  of  materials  is  given  as  the  point  at  which the current passing through the electrode (with the bleaching potential applied)  meets a defined value, e.g.: 

21     

   

0.25

(18)

Through  testing,  it  was  found  that  this  approach  allowed  for  a  repeatable  bleached  point to be established for both electrical and transmissive properties.   

Colouration Efficiency    At  normal  incidence,  and  where  reflection  is  considered  to  be  negligible,  the  absorption  (also  known  as  the  optical  density,  OD)  can  be  calculated  (with  a  good  degree of accuracy) from the transmittance (as adapted from [59] (see also [60])):     

log

log

(19)

 

    Where reflection is to be considered it can be modified to compensate such that:     

log

1

(20)

 

  When the thickness of a film  is known, one may use this to calculate the (wavelength  dependant)  absorption  coefficient  of  the material  ,  from  the  absorbance of  the sample   and absorbance of the substrate   [59]:       

 

(21)

    The colouration efficiency CE refers to the change in absorption  of inserted charge Q [1]:   

22     

 resulting per unit 

 

 

(22)

  The unit of measurement for CE is cm2C‐1; as derived from area (most usually given in  cm2) per unit of inserted charge Q (measured in coulombs, C).   

Longevity    For a device to be economically and commercially viable it must be able to provide an  adequate service life, i.e. in the case of electrochromics, possess the ability to switch  between  coloured  and  bleached  states many  thousands  or  hundreds  of  thousands  of  times,  before  significant  degradation  of  function  and  /  or  failure  occurs.  The  most  common  method  of  assessing  this  is  through  continuous  cycling.  By  cycling  a  device  many  times,  preferably  until  eventual  failure,  one  is  able  to  make  an  educated  assessment  of  its  expected  longevity  and  subsequently  its  suitability  for  application.  Additionally, and in the case of systems where longevity testing may take a long time  (10k cycles or more), one may cause premature degradation and / or failure by cycling  a  material  or  device  under  abusive  conditions,  i.e.  over‐potential  and  /  or  over‐ charging. This sort of testing can provide additional information, since if a device still  survives the minimum number of cycles required under these overly harsh conditions,  not only is its actual service life likely to be many times greater, but the behaviour of  the device and the effect of the abuse itself may be gathered.   Again, since longevity testing relies upon other un‐standardised factors affecting what  a ‘cycle’ is, it is most often difficult or even impossible to directly compare the findings  of different studies.    

2.3.3 – Quantification of Colour    Since worn optics both influence the wearer’s perception of colour and also often form  a fashion statement, the colour of the device is often of great concern.  

23     

Colour can be quantified for light within the ‘visible region’ (approximately 380‐780nm  [59], [61], [62]). Through transmission, absorption and reflection different substances  and materials will interfere with the incident light and appear to an observer to have  ‘colour’. It is estimated that to the human eye, there are over ten million perceivable  colours [60].  The science surrounding the quantification of colour is known as ‘colourimetry’. It has  historically  been,  and  continues  to  be,  performed  in  a  variety  of  ways,  however  perhaps the most internationally recognised system is the Commission Internationale  de  l’Eclairage  or  ‘CIE’  colourimetry  system  [1].  A  number  of  other  studies  of  electrochromic materials have employed the CIE system to quantify the colours and /  or luminous transmittance of different electrochromes and devices [1], [27], [63]–[68].  Colourimetric  analysis  provides  a  colour  specification  for  users  possessing  normal  vision  (i.e.  without  colour  blindness)  in  the  form  of  tristimulus  values.  The  CIE  standards  provide  mathematical  quantification  of  these  colour  tristimulus  values  or  ‘co‐ordinates’,  which  in  turn  form  a  ‘colour  space’  for  the  visible  region.  Most  often,  commercial colorimeters (such as the Minolta CR‐5 Bench‐top Colourimeter [69]) make  use  of  these  mathematical  relationships  and  are  employed  as  measurement  devices  specifically to provide both tristimulus values and specific details regarding the colour  of  the material.  However since  the mathematical equations  forming  the  CIE standard  are well known it is possible to use ordinary spectroscopic data for a material or device  as obtained by a spectrophotometer and extract the required colourimetric data using  the relevant equations.   In  this  work  we  will  consider  the  first  international  and  perhaps  best  well‐known  standard,  CIE  1931  2°  observer,  and  employ  it  to  quantify  the  colour  of  investigated  electrochromes. This model was chosen, rather than the more modern 10° observer of  model  of  1964,  because  eyewear  is  in  near  proximity  of  the  eye,  and  objects  and  surroundings are viewed through the lenses. A representation of the CIE 1931 2° colour  space is given in figure 2.9 (below).   To  translate  spectral  data  into  an  equivalent  colour  as  denoted  for  a  CIE  1931  2°  standard  observer,  mathematical  calculations  are  employed  to  produce  tristimulus  values  or  ‘colour  coordinates’  for  a  sample  which  represent  the  spectral  response  of 

24     

the human eye. These functions are different for emissive and transmissive/reflective  cases, because transmissive and reflective samples require an illuminant to be viewed  and / or measured.    

  Figure  2.9  –  Chromaticity  diagram  depicting  the  CIE  colour  space  1931  (2°  standard  observer),  produced  in  Excel™  2010.  This  diagram  also  displays  the  blackbody or ‘Planckian’ locus which depicts the colour which an incandescent  blackbody would assume as its temperature increases.    Since  electrochromic  devices  are  transmissive  and  /  or  reflective,  the  following  equations apply:     

1 ̅

d  

(23)

   

1

d  

25     

(24)

  1

 

d   ̅

(25)

  Where   

d  

(26)

  Here,  λ  is  the  wavelength,  Tλ  is  transmittance,  and  ̅ ,    and  ̅  are  the  CIE  1931  2°  standard observer colour matching functions (Appendix A4). In this case N represents  the function employed to normalise the reference light source and produce the values  of expected colour under that type of light source.   Since  transmittance  measurements  are  obtained  from  measurement  (as  might  light  source  data  i.e.  D65),  the  data  is  discrete  and  therefore  it  may  not  be  possible  to  accurately represent it using mathematical equations. Therefore numerical integration  can be performed on the data through use of the following summations (so long as the  sampling interval of the data and standard observer functions is the same):    1

     

̅

 

(27)

  1

 

(28)

   

1 ̅

 

(29)

Where   

(30)

 

  26     

And λ is the wavelength range (380‐780nm @ 5nm intervals)  Then, to gain xy co‐ordinates which can be plotted on a CIE chromaticity diagram we  perform the following calculations:     

   

(31)

 

And   

 

(32)

   

 

Where  x  and  y  are the  colour  coordinates  which  specify  the  hue  and  Y,  as calculated  previously, represents the luminance of the colour. For a perfect transmitter, Y=1.     Following this, any further colour calculations where necessary can be performed using  the  calculated  tristimulus  values  X,  Y  and  Z,  (i.e.  conversion  to  sRGB  values  for  example).     

Chapter Summary    Through  combination  of  the  theory  behind  electrochromism  with  appropriate  quantitative measures of performance as discussed in this chapter, it is now possible to  look  at  the  appropriate  materials  and  methods  known  for  producing  electrochromic  layers and devices containing said layers.   Chapter 3 provides a brief overview of the  inorganic  electrochromic  materials  available,  including  a  survey  of  those  materials  utilised  in  this  study,  before  describing  the  methods  and  techniques  employed  throughout this work for the deposition and characterisation of each of the materials.   

27     

Chapter 3 – Materials and Methods   

3.1 – Inorganic Electrochromic Materials   

Since the early research discoveries, electrochromism has been widely studied and its  existence  is  now  well  known  in  ‘numerous’  inorganic  and  organic  substances  [1],  [8],  and  interestingly  even  some  biological  species  [1].  A  great  majority  of  the  existing  research focuses on inorganic materials which exploit the electrochromic properties of  transition  metal  oxides  [70]  (such  as  the  pre‐mentioned  tungsten  trioxide),  and more  recently  the  importance  and  potential  of  organic  electrochromic  materials  (such  as   poly(3,4‐ethylenedioxythiophen) or ‘PEDOT’) has gained significant attention.   This work predominantly focuses upon those inorganic transition metal oxide materials  which can be deposited using commercially scalable vacuum deposition techniques.   

3.1.1 – Overview    As  mentioned  above,  perhaps  the  most  prevalent  of  the  inorganic  electrochromic  materials are the transition metal oxides [1], [8].  Other inorganic materials that, with the exception of Prussian blue, would appear to be  less  well  researched  [13]  include;  iridium,  tin  and  boron  nitrides,  hetero  polyacids,  intercalated graphite, and hexacyanometallates (including the pre‐mentioned Prussian  Blue). 

Transition Metal Oxides   

Transition  metal  oxides  are  the  most  widely  researched  and  utilised  of  the  electrochromic materials  because they  benefit  from good  photochemical  stability  [8],  [71],  which  also  promotes  their  use  in  photochemical  areas  as  good  candidates  for 

28     

device longevity. However, depending upon the lattice structures of the oxides, many  eventually dissolve in water (for example WO3 [72], [73] ‐ see below) and will break up  due  to  water  molecules  penetrating  and  hydrolysing  the  lattice.  Water  penetration  results in degradation of the oxide layer and subsequently its electrochromic function,  therefore Granqvist and Svensson advise that devices should be watertight to ensure  longevity [74].     

  Figure  3.1  –  The  periodic  table  of  elements  (excepting  the  lanthanide  and  actinide  series’)  depicting  those  transition  metal  oxides  which  display  well‐ documented  electrochromism  in  the  visible  region.  Similar  representations  have been presented by Granqvist, Baba and Yu [8].      The type of chromism displayed is specific to the transition metal oxides [13] and the  optical  absorption of many  of  the transition metal  compounds  (including  said oxides)  can  be  attributed  to  ‘intervalence  charge  transfer’  [75].  In  fact  many  of  the  unusual  properties  of  transition  metals  themselves  can  be  attributed  to  the  unique  configurations of the partially filled outer d orbital electrons [76], [77].  Many, but not all of the transition metal oxides display electrochromism under redox  conditions. Those most well documented are detailed in figure 3.1. 

29     

Of  those  electrochromic  oxides  being  depicted  above,  tungsten  trioxide  and  nickel  oxide  are  almost  certainly  the  most  extensively  researched.  Interestingly  vanadium  oxide presents itself as a unique material in that it can display both anodic and cathodic  electrochromism depending upon its preparation [8]. 

  Metal Nitrides    Some nitrides of transition metals also express electrochromic behaviour, most notable  are  the  nitrides  of  iridium,  tin  and  boron  [1],  [8],  [13],  [78]–[80].  These  are  often  prepared  by  reactive  ion  plating  [8]  or  more  recently  reactive  evaporation  [78].  The  electrochromic mechanism is different to that of oxides, whereby alteration of surface  adsorbents induces a phenomenon similar to so‐called ‘Burstein‐Moss Shift’ [80].  Although  there  appears  to  be  few  studies  into  them,  oxynitrides  can  also  exhibit  electrochromic  behaviour,  Rousselot  et  al.  have  investigated  titanium  oxynitride  (prepared by reactive sputtering) with some success [81].   

Heteropoly Acids   

Heteropoly acids are widely used as catalysts [82], and have as yet to witness any great  level  of  application  despite  possessing  some  favourable  characteristics.  In  their  hydrated solid state they will conduct protons in their crystal structures, and many can  do  so  at  room  temperature  (Particularly  H3(PMo12O40)‐nH20    (n≈29))  [50].  In  this  capacity  they  can  act  as  very  effective  solid  electrolytes,  but  some  forms  will  also  exhibit  electrochromic  behaviour  of  their  own,  for  example  phosphotungstic  acid  (H3PO4(WO3)12‐nH2O  ,  n≈29,  [83],  also  known  as  ‘PWA’)  [84],  [85].  Colouration  efficiency  can  be  similar  to  that  of  the  transition  metal  oxide  films  and  they  may  be  mixed with and used in conjunction with other materials [8]. Granqvist notes that there  are  numerous  polyacids  [86]  and  that  it  ‘seems  likely’  new  electrochromic  materials  might be developed using them [8].   

30     

Intercalated Graphite    Numerous texts exist on the intercalation compounds of the various forms of graphite  with  alkali  metals  and  other  substances.  There  are  a  number  of  methods  and  mechanisms  whereby  intercalation  takes  place  and  the  various  compounds  lend  themselves  to  a  wide  variety  of  applications  [87].  Their  potential  as  electrochromes  was first realised by Pfluger et al. in 1979 [88]. This initial discovery displayed a chromic  black  to  gold  colour  change  with  a very  fast  response  time,  albeit  at  a  relatively  high  potential of 3‐5v.   Buckminsterfullerene (C60) was also shown to act as an electrochrome with lithium ions  in 1993 by Rauh et al. [89] and other metal ions can also be intercalated [90].   The  general  lack  of  translucency  of  most  forms  of  usable  graphite  based  thin  films  would  appear  to  limit  their  potential  use  to  reflective  display  devices  as  opposed  to  optics or windows.   

Hexacyanometallates    Huge  numbers  of  possible  hexacyanometallates  exist  and  many  display  an  electrochromic effect at varying wavelengths across the electromagnetic spectrum [8].  With  such  a  great  number  of  potential  candidates  many  permutations  of  colour,  change in transmittance and wavelength are achievable.   Similarly  to  transition metal  oxides,  the  colour  produced  by  hexacyanometallates  is a  result  of  intervalence  charge  transfer,  however  in  this  case  it  represents  charge  transfer  between  two  metal  ions  (i.e.  two  Fe  ions  in  the  case  of  Prussian  Blue  –  see  3.1.2) across the inter‐connecting CN‐ ligands.  Hexacyanoferrates have generated much research [8], [91], [92]; with most displaying  an electrochromic effect. The earliest of the hexacyanoferrates being identified as an  electrochrome was the well‐known pigment – Prussian Blue. 

31     

Prussian Blue, or iron(III)hexacyanoferrate(II) was first synthesised by accident in 1704  [93]  and  is  the  most  well‐known  and  researched  of  the  hexacyanometallates  [8].  It  lends  itself  not  only  as  a  pigment  and  potential  electrochrome  but  as  a  catalyst  and  basis for varying chemical and biological sensors [94], [95]. Since early discoveries were  established  and  the  process  was  made  reversible,  it  has  been  employed  in  working  devices  [96]–[98].  When  used  with  a  complementary  cathode  (Prussian  Blue  is  anodically  coloured),  devices  can  experience  large  visible‐region  changes,  typically  from translucent to dark blue, but also green and yellow. For this reason, Prussian Blue  and  the  other  hexacyanometallates  have  generated  great  scientific  and  technological  interest as electrochromes, and even more so since their successful incorporation  into  all‐solid state devices employing solid electrolytes such as poly(aniline) [96], [97].  Nickel(II)hexacyanoferrate(III) 

and 

‘ruthenium 

purple’ 

or 

Iron(III)hexacyanoruthenate(II)  are  also  electrochromes  capable  of  producing  transparent to intensely coloured changes; in this case from transparent to orange (or  even  red)  and  also  from  transparent  to  green  for  the  former  [1],  and  transparent  to  purple  for  the  latter  [99].  Other  hexacyanometallates  which  are  known  to  exhibit  electrochromism in the visible range include:    Table 3.1 – List of electrochromic hexacyanometallate compounds and their  respective colour changes.  Hexacyanoferrate  Cadmium Hexacyanoferrate [98] Chromium Hexacyanoferrate [100], [101] Cobalt Hexacyanoferrate [102] Manganese Hexacyanoferrate [1] Molybdenum Hexacyanoferrate [1] Platinum Hexacyanoferrate [103] Rhenium Hexacyanoferrate [100] Titanium Hexacyanoferrate [104]    

     

 

32     

Observed Colour Change [100]  White to Transparent Blue to Pale Grey Green‐Brown to Dark Green  Pale Yellow to Transparent  Pink to Red Pale Blue to Transparent  Pale Yellow to Transparent  Brown to Pale Yellow

3.1.2 – Electrochromes of Interest   

The  work  presented  in  this  thesis  focuses  upon  four  examples  of  transition  metal  oxides  and  a  hexacyanoferrate,  each  chosen  for  their  respective  properties  and  availability  to  study;  nickel  oxide  (NiO),  titanium  dioxide  (TiO2)  ,  tungsten  trioxide  (WO3),  the  novel  mixed‐metal  oxide,  nickel‐chromium  oxide  (Ni‐Cr  Oxide)  and  iron  hexacyanoferrate (most commonly known as Prussian Blue). The well‐known cathodic  material,  tungsten  trioxide  (WO3),  is  arguably  the  most  well  researched  of  the  electrochromic  transition  metal  oxides  [8]  and  is  included  for  completeness  and  for  comparison with the lesser characterised films of TiO2. 

  Tungsten Oxide    Tungsten  oxide  or  WO3  (also  known  as  tungsten  trioxide,  tungsten  (IV)  oxide  or  less‐ commonly as tungstic anhydride), is a bulk material with pale yellow colouration [73],  [105].  It  is  by  far  the  most  researched  of  the  electrochromic  materials  [8],  and  possesses a defect‐perovskite structure [1], [106], [107] with Granqvist describing it as  a  ‘perovskite‐like’.  Its  exact  structure  is  particularly  temperature  dependent  [1],  [8],  [106]. A 5d transition metal oxide, it possesses physico‐chemical properties as per table  3.2:    Table 3.2 – Properties for WO3 as reported in or calculated from data provided  by the references given.  FORMULA 

WO3 

MOLECULAR  WEIGHT  231.8382    [108] 

AVERAGE  ATOMIC  WEIGHT  57.9595    [108] 

LATTICE  PARAMETER  (Å)  3.84   [109] 3.899 [110] 

DENSITY  (G/CM3) 

MELTING  POINT (K) 

7.16   [73] 

1746   [73],  [111] 

 

  Since the initial discovery of electronically induced colour change in 1930 [3], tungsten  trioxide was the first of the transition metal oxides to see considerable research into its  chromic  properties.  In  1949,  Straumanis  and  Dravnieks  observed  that  the  lattice 

33     

structure  of  WO3  was  porous  [112]  to  ions  and  investigated  this  behaviour  in  depth,  (essentially identifying that they were susceptible to intercalation). These intercalated  forms were shown to possess metallic properties and have been known misleadingly as  ‘tungsten bronzes’ since their initial discovery by Wöhler in 1824 [4], [112] due to their  metallic lustre and subsequent use in bronze coloured paint. A great deal of research  continued  to  follow,  with  the  first  reversible  (and  truly  chromic)  colour  change  being  recorded  by  Brimm  et  al.  in  1951  [4],  and  by  1969,  this  was  being  applied  by  Deb  to  WO3 thin films for use in novel photographic applications [5].    Amorphous  electrochromic  films  of  WO3  undergo  cathodic  colouration  from  transparent  to  blue  under  ionic  intercalation,  while polycrystalline  films  colour  in  the  near‐IR  region.  Electrochromic  films  of  WO3  have  been  successfully  deposited  by;  sputtering  [113]–[116]  , thermal evaporation  [116]–[118],  electron  beam evaporation  [119], [120], pulsed laser deposition (PLD) [121], spray pyrolysis [122], chemical vapour  deposition  (CVD)  [123]–[125],  electro‐deposition  [126]–[129]    and  Sol‐Gel  techniques  [130], [131].  The intercalation process is assumed to be adherent to a rigid bond model whereby the  intercalated  ion  (or  proton)  remains  charged  within  the  host  oxide  with  the  intercalated  electrons  occupying  the  conduction  band  [107],  since  the  intercalation  process does not result in structural change of the host material and may be described  for  both  proton  and  ion  insertion.  Under  proton  insertion  the  process  may  be  described by the following equation [8]:    ⇄

 

(33)





 

  Where  the  intercalation  process  involves  the  intercalation  of  alkali  metal  ions  (i.e.  lithium in this case), the reaction is most often described by the following equation:    ⇄

 





34     

(34)  

Nickel Oxide    Nickel  oxide,  often  denoted  as  ‘NiO’  (or  nickel  (II)  oxide  /  nickel  monoxide)  is  a  bulk  material of bright green colouration. It is a 3d transition metal oxide possessing a NaCl  structure  in  the  crystalline  form  (figure  2.2)  [132],  [133],  with  physico‐chemical  properties as per table 3.3 below. Studies report that thin films produced by electron  beam  evaporation  can  also  display  this  fcc  structure  [134]–[136].  Despite  its  partially  filled  3d  orbital,  it  is  an  anti‐ferromagnetic  insulator  [137].  The  monoxide  NiO  represents  its  most  stable  and  well  characterised  stoichiometric  state  [132].  Other  stoichiometries are often purported in the literature, most commonly nickel (III) oxide  (Ni2O3)  which  is  of  grey‐to‐black  colouration.  These  other  forms  are  not  well  characterised and as Greenwood and Earnshaw state, may simply represent slight non‐ stoichiometry [132].  When deposited in thin film form, the films produced are mostly  non‐stoichiometric [1], [8], [65]. For this reason nickel oxide may sometimes be written  as NiOx.  NiO  has  generated  much  interest  and  received  a  great  deal  of  investigation  as  an  electrode  material,  with  potential  for  use  in  both  batteries  [138]–[147]  and  electrochromic devices [1], [8], [148], [149]. Amongst other methods, films have been  successfully  deposited  by  sputtering  [115],  [149]–[151],  thermal  evaporation  [152],  electron  beam  evaporation  [135],  [136],  [148],  pulsed  laser  deposition  (PLD)  [138],  [153],  chemical  vapour  deposition  (CVD)  [154]–[156],  electro‐deposition  [157]–[159]  and Sol‐Gel [160]–[162] techniques.     Table 3.3 – Properties for NiO as reported in or calculated from data provided  by [108] 12‐84  FORMULA  MOLECULAR  AVERAGE  WEIGHT  ATOMIC  WEIGHT  NiO  74.69  37.35

LATTICE  DENSITY  PARAMETER  (G/CM3)  (Å)  4.1684 6.6

MELTING  POINT (K)  2230 

    Unlike the aforementioned tungsten oxide, nickel oxide undergoes anodic colouration  from  colourless  to  dark  brown.  Even  with  the  investigation  and  applications  thus  far,  35     

electrochromism  in  NiO  films  is  not  as  well  understood  as  in  other  films  [8],  [149],  [163],  [164],  therefore  making  it  an  ideal  candidate  for  further  study.  For  electrochromism  to  take  place,  the  films  have  been  shown  to  require  conversion  to  nickel  hydroxide  [134]  (which  may  be  due  to  the  density  of  NiO  [8]),  and  the  effectiveness of these deposited films as electrochromic devices is highly dependent on  the  structures,  density  and  porosity  of  the  deposited  films  [8],  [135].  Colouration  of  NiO is most often performed in KOH [65], [133], [135], [136], [148]–[150], [162] and is  described  by  the  generally  ‐  accepted  Bode  reaction  scheme  [8],  [65],  [135],  [136],  [147], [148]:  ̵

 

̵

                                                    

̵



 

̵

(35)  

 

                           



     

Like WO3,  the  intercalation  process  is  assumed  to  be  adherent  to  a  rigid  bond  model  whereby  the  intercalated  ion  (or  proton)  remains  charged  within  the  host  oxide  without structural change of the host material.    

Titanium Oxide   

Titanium oxide may exist in various stoichiometries (e.g. TiO2, Ti2O3, Ti3O5, and Ti4O7).  The  most  commonly  used  and  recognised  oxide  of  titanium  is  titanium  dioxide,  also  referred to as ‘titania’ or TiO2, often obtained and used as a bright white compound. In  fact TiO2 is colourless, as can be observed in large crystals of the material, however its  high  refractive  index  in  the  visible  region  results  in  intense  scattering  and  apparent  white colouration when finely divided [132]. It can assume different crystal structures  as normal pressure, namely; anatase, rutile and brookite [8] (although at least 8 other  polymorphs  are  known  to  exist  [165]–[172]).  Its  physico‐chemical  properties  may  be  found  in  table  3.4.  Less  is  known  of  the  electrochromic  behaviour  of  TiO2  than  WO3  other than its chemical resistance and thus it was identified as an ideal candidate for  further investigation in this study.  

36     

Besides electrochromics, titanium oxide attracts widespread research and use in many  areas  including;  pigments,  UV  absorbers,  dielectric  mirrors  [173],  [174],  biochemical  processing  [175],  self‐cleaning  windows  [176]–[178],  semiconductor  circuits  [179],  [180], data storage [181], [182] , and also in its most publicised role as a photocatalyst  for photovoltaics [183] and other applications [184].   

Table 3.4 – Properties for TiO2 as reported in or calculated from data provided  by the references given.  FORMULA 

TiO2 

MOLECULAR  WEIGHT  79.8658    [108] 

AVERAGE  ATOMIC  WEIGHT  26.6219    [108] 

LATTICE  PARAMETER  (Å)  4.593  (Rutile)    [185]    3.784   (Anatase)    [185] 

DENSITY  (G/CM3) 

MELTING  POINT (K) 

4.250 (Rutile)    [185]    3.894  (Anatase)    [185] 

2103    [111]         2143    [186] 

   

In terms of  electrochromic activity, titanium oxide is a cathodically colouring material  like  tungsten  trioxide,  changing  from  transparent  to  a  grey‐blue  colouration  [1],  [8].  The efficiency of this transmission change is often (but not always) low however  [187],  [188], leading to greater potential of titanium oxide as a counter electrode to an anodic  material with stronger colouration characteristics, i.e. nickel oxide [1], [8], [189].   Although  titanium  oxide  is  well  known  as  an  electrochromic  material,  relatively  few  studies  exist  (at  least  in  comparison  with  other  notable  electrochromic  oxides,  i.e.  tungsten or nickel oxides) which focus upon the electrochromic properties of the pure  material.  Nevertheless  examples  of  electrochromic  films  have  been  successfully  deposited by; sputtering [187], [190]–[192], thermal evaporation [193], electron beam  evaporation [194], pulsed laser deposition (PLD) [195], spray pyrolysis [196], chemical  vapour  deposition  (CVD)  [197]–[199],  electro‐deposition  [200],  anodisation  [201],  ‘doctor blade’ [188], and Sol‐Gel [202]–[204] techniques.  Again, as with WO3 and NiO, the intercalation process conforms to a rigid bond model  since the intercalation process does not result in structural change of the host material. 

37     

The  intercalation  process  for  TiO2  is  similar  to  that  of  WO3  and  may  once  again  be  described for both proton and ion insertion.   Under proton insertion the process may be described by the following equation [8]:    ⇄

 

(36)



 

  Where  the  intercalation  process  involves  the  intercalation  of  alkali  metal  ions  (i.e.  lithium  in  this  case),  the  reaction  is  most  often  described  by  the  following  equation:   ⇄

 



(37)  

   

Prussian Blue (iron hexacyanoferrate)   

Iron hexacyanoferrate is an insoluble dark blue crystalline substance commonly used as  a dye and pigment, which in‐part owes its name to its use in Prussian military uniforms  of  the  time  [205].  Until  relatively  recently,  its  exact  chemical  composition  was  not  known  however  through  the  use  of  multiple  characterisation  techniques  it  is  now  known  to  be  an  inorganic  polymer  possessing  a  cubic  lattice  structure  comprising  of  Fe2+  and  Fe3+  ions  inter‐connected  by  CN‐  ligands  in  a  Fe(II)‐C‐N‐Fe(III)  sequence.  Depending  upon  the  preparation  method  used,  PB  may  appear  to  be  insoluble  or  soluble.  In  its  ‘insoluble’  form,  every  fourth  Fe(CN)6  position  is  vacant,  and  may  be  habited  by  water  molecules  [206]  (figure  3.2).  While  in  its  ‘soluble’  form,  these  vacancies are non‐existent with co‐ordinated metal ions occupying positions within the  lattice [207], [208] (figure 3.3). Due to its well established an researched nature, it was  investigated  as  a  material  for  comparison  to  those  oxides  also  included  within  this  study.  The physico‐chemical properties of PB are presented in table 3.5 opposite. 

38     

 

 

 

 

   

Figure 3.2 – Representation of the crystal structure of ‘insoluble’ PB 

  Table 3.5 – Properties for PB as reported in or calculated from data provided by  the references provided.  FORMULA 

MOLECULAR  AVERAGE  WEIGHT  ATOMIC  WEIGHT  Fe4[Fe(CN)6]3  859.23 [108]  20.95  [108] 

LATTICE  DENSITY  PARAMETER  (G/CM3)  (Å)  10.28 [55]       ‐     

 

   

Figure 3.3 – Representation of the crystal structure of ‘soluble’ PB 

39     

MELTING  POINT (K)  Decomp. 

As an electrochromic material, PB has attracted and continues to attract a great deal of  investigation  [1],  [8],  [63],  [99]–[101],  [209]–[214].  As  well  as  this,  and  its  historically  long‐lived  use  as  a  traditional  dye,  it  also  experiences  widespread  use  as  a  stain  in  histopathology  [215],  [216]  and  also  as  a  medicine  for  use  in  the  treatment  and  removal of radioactive metal ions (such as thallium and caesium) from the body [217]– [219].   The  colouration  of  PB  is  a result  of  intervalence  charge  transfer  between  the  Fe  ions  across  the  CN‐  ligand.  Where  the  Fe  ion  is  adjacent to  the  electrophilic  nitrogen,  it  is  said to be ‘high‐spin’, and where it is next to the carbon, it is said to be ‘low spin’ [207].  This transition may be represented as follows:    ⇄

 

(38)

 

    For  PB  in  its  un‐modified  state, this  transfer  causes  absorption  in  the  red  area of  the  visible  region,  which  corresponds  to  the  strong  blue  colouration  with  which  PB  is  associated.  When reduced or oxidized electrochemically, electrochromism occurs as a  result  of  modification  and  switching  of  this  charge  transfer.  PB  may  possess  three  distinct  oxidation  states  each  with  their  own  respective  colouration;  Prussian  white  (PW, also known as Everitt’s salt), Prussian blue (PB), and Prussian yellow (PY). A fourth  colouration, Prussian green (PG, also known as Berlin green) is possible as a result of  mixed valence states within the material. These modifications may be represented as  below,  where  the  numbers  represent  the  oxidation  states  of  the  first  and  second  Fe  ions respectively:    2 ,2

⇄ 3 , 2

⇄         



⇄ 1

3 ,2

⇄ ⇄

 

40     

3 ,3

⇄ 3 , 3  

⇄ ⇄

   (39) 

3.2 – Transparent Conductive Oxides    Transparent  conductive  oxides  (TCOs)  are  semiconductor  materials  which  are  electronically  conductive  while  being  largely  transparent  within  the  visible  region.  Typically these are doped oxides which possess a bandgap ≥3 eV, which renders them  largely transparent within the visible region, while they are typically good reflectors in  the near‐IR region due to their electrical conductivity.   After the discovery of the first TCO material, cadmium oxide (CdO)  in 1907 [220], many  more TCOs were identified including the oxides of indium (In2O3), tin (Sn2O3), and zinc  (ZnO)  [221].  Following  these  discoveries  it  was  found  that  doping  of  these  host  TCO  materials  could  result  in  increased  electrical  conductivity  whilst  retaining  optical  transparency. Perhaps the most well‐known and utilised of the TCO family is indium tin  oxide (ITO, In2O3:Sn) [164], [222]–[225]. Amongst other uses, ITO finds widespread use  in  touchscreens,  liquid  crystal  displays  (LCDs)  [226],  heated  windows  ,  anti‐static  coatings  [227]  and  solar  cells  [164].  In  the  case  of  electrochromics,  ITO  is  commonly  used  to  form  the  transparent  conductors  required  to  supply  electrical  charge  to  the  device  as  depicted  in  chapter  1  figure  1.1  [1],  [8],  [164].  Due  to  its  availability  and  established suitability, ITO was chosen as the as a transparent electrode material to be  produced and investigated throughout this work.  Indium  oxide,  In2O3,  the  main  constituent  of  ITO,  is  a  yellowish‐green  bulk  material  which when produced under vacuum conditions without high temperature possesses a  cubic bixbyite structure [228], [229]. In this form oxygen vacancies are present within a  fluorite‐type  superstructure  where  every  fourth  oxygen  anion  along  the  (111)  axes  is  absent,  resulting  in  distortions  within  the  structure  [229],  [230].  Its  physico‐chemical  properties can be found in table 3.6 below.  Table 3.6 – Properties for In2O3 as reported in or calculated from data provided  by the references given.  FORMULA  MOLECULAR  AVERAGE  WEIGHT  ATOMIC  WEIGHT  In2O3  277.64 [231]  55.638  [231] 

41     

LATTICE  DENSITY  PARAMETER  (G/CM3)  (Å)  10.117 [231] 7.120 [231] 

MELTING  POINT (K)  2185 [108] 

  Figure 3.4 – Illustration of non‐equivalent indium sites and oxygen vacancies in  an In2O3 crystal.    ITO  is  formed  by  doping  indium  oxide  with  tin  atoms  which  substitute  In  within  the  structure,  preferentially  occupying  the  less  distorted  substitutional  sites  within  the  material [230], [232]. ITO is well known for its; good conductivity, high transparency (in  the visible region), excellent adhesion and good chemical resistance. Due to these well‐ established qualities and its availability, ITO was chosen as the most suitable electrode  material for the substrates and devices produced throughout this thesis.  Like  other  metal  oxide  materials  such  as  those  electrochromic  materials  discussed  herein,  ITO  may  be  produced  by  various  methods  as  described  in  3.3.1  including;   thermal  evaporation  [233],  electron  beam  evaporation  [234],  DC  sputtering  [226],  [227], [235], RF Sputtering [235], chemical vapour deposition (CVD) [236], and sol‐gel  [237] techniques.  The optical and electrical characteristics of ITO films are dependent upon charge carrier  density  and  electron  mobility,  which  are  both  factors  highly  dependent  upon  the  deposition conditions. By increasing the charge carrier density, electrical conductivity is  increased and this increase is proportional to both the number of oxygen vacancies and  substitute  tin  atoms  present  within  the  material.  In  an  ideal  scenario,  each  oxygen  

42     

vacancy  contributes  two  electrons  to  a  doping  tin  atom,  this  results  in  degenerate  semiconductor behaviour and widening of the material’s band gap (also known as the  ‘Burstein‐Moss  effect’)  [49],  [164]  and  subsequently  an  increased  electrical  conductivity.      

3.3 – Thin Film Deposition    The  term  ‘thin  film’  may  refer  to  any  coating  which  ranges  from  fractions  of  a  nanometre to a few microns in thickness. Typically it is used to refer to any film with a  thickness ≤ 1m and ≥ 1nm, and can be formed using a variety of techniques.   All  of  the  techniques  comprise  of  methods  which  are  able  to  deposit  thin  films  of  different materials either atom‐by‐atom or molecule‐by‐molecule onto a bulk material.  The bulk material onto which the thin film layer is coated is known as the ‘substrate’,  and  any  material  which  is  coated  onto  the  substrate  will  possess  its  own  properties,  optically  and  mechanically.  They  may  be  optically  absorbing,  transmissive,  reflective,  electrically conductive, insulating and/or semiconducting, and will possess mechanical  properties such as; hardness, stress and density independent of the substrate material.  Dependent  upon  the  material,  deposition  conditions  and  post‐deposition  treatment,  the  films may  be  either  amorphous or crystalline  in  basic  structure.  In  an  amorphous  film  there  is  no  order  in  the  overall  structure,  whereas  polycrystalline  films  possess  crystal type structures and therefore determinable orientation of the molecules.   

3.3.1 – Overview of Techniques   

Thus far there are many methods employed for the deposition of electrochromic thin  films.  Those  which  have  attracted  widespread  use  and  attention  for  electrochromic  materials are as follows:    

Physical Vapour Deposition (PVD)  43 

   

o

Evaporation  

Thermal   [78], [80], [116]–[118], [152], [193], [238] 



Cathodic Arc Deposition   [239] 



Electron beam (EB)   [113], [119], [120], [135], [136], [148],  [163], [194], [240], [241] 

 o

Pulsed Laser Deposition (PLD)   [121], [138], [153], [242]–[244]  

Sputtering  

DC Sputtering   [12], [81], [113], [133], [149], [151], [192],  [245]–[249] 



RF Sputtering   [150], [153], [187], [190], [191], [248], [250]– [252] 



Chemical Vapour Deposition (CVD)   [123]–[125], [154], [156], [197]–[199],  [253], [254] 



Sol‐Gel   [130], [131], [161], [162], [202]–[204], [255] 



Spray Pyrolysis   [122], [196], [256]–[258] 



Thermal Oxidation   [259]–[262] 



Electro‐deposition / polymerisation   [99], [126]–[128], [158], [200], [263]– [265] 



Anodisation   [159], [201], [266], [267] 

  Physical  vapour  deposition  or  ‘PVD’  is  a  group  of  processes  whereby  free  atoms  or  molecules of a target material are released into a vacuum by physical bombardment or  evaporation  before  condensing  on  the  desired  substrate  to  form  the  deposited  film.  Prior  to  deposition,  these  free  atoms  or  molecules  may  react  with  other  atoms  or  molecules  present  in  the  vacuum  which  are  usually  introduced  as  a  reactive  process  gas,  e.g.  oxygen,  to  form  the  desired  product.  Where  the  target  material  is  reacted  with  a  process  gas  or  other  material  it  is  known  as  a  reactive  deposition.  In  some  setups,  one  may  deposit  multiple  materials  simultaneously,  resulting  in  a  mix  of  materials as desired or ‘co‐deposition’.   Chemical  vapour  deposition  or  ‘CVD’  is  another  group  of  deposition  processes  which  result in the formation of thin films upon the desired substrate. Often, but not always 

44     

this  is  once  again  performed  under  vacuum  using  gaseous  chemical  precursors  or  a  vaporised form of the target material introduced into the chamber. Here they react to  form  a thin  film, often  as a  result  of  thermal  means;  on the surface  of  the  substrate,  with the surface of the substrate, or before condensing upon the substrate.   Sol‐gel is a solution based chemical technique for the formation of thin or even thick  films.  Here  a  precursor‐containing  solution,  typically  a  transition  metal  alkoxide,  peroxometallate  species  [1],  or  salt  [1],  [162]  is  subjected  to  hydrolysis  and  /  or  polycondensation reactions to form a colloidal suspension, known as the ‘sol’. The sol  may then be coated onto the desired substrate by techniques such as dip coating, spin  coating  or  casting.  As  the  solvent  is  removed  from  the  sol  an  integrated  network  or  ‘gel’ develops within the material, hence giving the process its name ‘sol‐gel’. The films  are  then  most  often  heated  or  annealed  to  drive  off  any  remaining  solvent  and  /  or  provide the film with the desired crystalline properties.  Spray  pyrolysis  is  a  method  closely  related  to  CVD,  which  commonly  refers  to  an  atmospheric process whereby a precursor for the target material is sprayed, usually by  means  of  aerosol  or  reactive  carrier  gas,  onto  a  heated  substrate.  The  heat  of  the  substrate surface  causes  the  precursor to  undergo thermochemical  decomposition or  ‘pyrolysis’ upon contact, thereby forming a solid film consisting of the decomposition  products on the surface of the substrate.  Thermal oxidation is a surface modification process where a substrate is heated in the  presence of oxidising agent (oxygen, water, or often, atmospheric air [261]) which in‐ turn results in the formation of an oxidised species on the surface of the substrate. For  electrochromics, this can be used to form metal oxide films on the surface of metallic  substrates [260], or from precursor films deposited by other means [259], [261].  Electrodeposition is a solution‐based process whereby an electrical potential is applied  to  an  electrode  which  is  in  contact  with  a  coating  solution.  Typically  this  coating  solution  consists  of  a  colloidal  suspension  or  mix  of  chemical  precursors  containing  charged species, often with a supporting electrolyte. Upon application of the electrical  potential,  the  charged  species  will  migrate  through  the  solution  where  they  will  be  deposited  upon  contact  with  the  electrode  and  subsequently  experience  charge  neutralisation.  Electropolymerisation  may  be  considered  a  subcategory  of 

45     

electrodeposition, where a polymerisation reaction occurs at the electrode surface as a  result  of  the  applied  potential,  thereby  resulting  in  a  film  as  desired.  The  main  requirement  for,  and  subsequent  limitation  of  electrodeposition  is  that  the  substrate  to‐be‐coated must be conductive, so‐as‐to transport charge to or from the solution as  required.  Anodisation is another solution‐based process, which although similar in setup to that  of  electrodeposition,  is  a  surface  modification  process  rather  than  one  of  deposition.  The anodisation process is commonly used in the passivation and aesthetic colouring of  aluminium  and  its  alloys.  Here  the  substrate  to  be  anodised  forms  the  anode,  in  contact  with  an  appropriate  electrolyte,  often  an  acid,  with  a  suitable  cathode  completing  the  cell.  When  an  electrical  potential  is  applied  across  the  cell,  oxygen  is  formed at the surface of the electrode and causes oxidation. At the same time the low  pH  of  the  acidic  electrolyte  etches  the  newly  formed  oxide  layer  resulting  in  nanostructures.  The  exact morphology or  form  of  the  structures may  vary  depending  upon  the  conditions  or  method  employed.  For  example,  anodisation  may  form  many  kinds  of  different  nanostructures  including  nanopores  [159]  and  nanotubes  [129],  [201], [266], [267].   

3.3.2 – Techniques of Interest    Of  those  techniques  described  in  3.3.1,  PVD  and  CVD  techniques  have  established  themselves  as  widespread  industrial  and  scientific  methods  of  depositing  thin  films.   Typically these techniques are performed under vacuum, and any process which does  this  is  known  as  a  vacuum  deposition  process.  Advantages  of  deposition  thin  films  under vacuum include (but are not limited to):  

Increased free collision path for target material due to low particle density (the  air in normal atmospheric conditions is very particle‐dense in comparison) 



Ability  to  closely  control  deposition  conditions  such  as  gas  or  material  composition, deposition rates and reduce potential contamination 



Ability to generate plasma (where required) 

46     

  In  the  course  of  this  work,  multiple  deposition  methods  for  thin  films  have  been  employed, namely; electron beam evaporation, DC magnetron sputtering, magnetron‐ assisted pulsed DC sputtering, RF sputtering and electrodeposition. With the exception  of electrodeposition, all of these techniques are vacuum deposition processes.   

Sputtering    Sputtering  is  a  PVD  vacuum  deposition  technique  which  makes  use  of  solid  target  materials and works by bombarding the target material with energetic particles which  in turn eject atoms or particles of the target material toward the substrate. The atoms  or  particles  then  condense  on  the  surface  to  form  a  film.  Different  methods  of  sputtering  have  been  developed,  and  predominantly  rely  upon  the  application  of  DC  (Direct  Current)  or  RF  (Radio  Frequency)  potentials  to  a  target  material.  Deposition  systems  may  employ  one  or  more  of  the  above  techniques  in  order  to  deposit  the  target material.  DC  sputtering  works  by  applying  a  large  potential  difference  between  the  target  (cathode) and the deposition chamber (anode). An inert charge carrier gas (usually Ar)  is then ionised and forms a plasma. These ions then accelerate towards the negatively  charged  target  and  bombard  it,  in  turn  ejecting  atoms  or  molecules  of  the  target  material  as  described  above.  Secondary  electrons  from  the  target  are  accelerated  through the cathode potential and are responsible for further ionising the inert gas and  sustaining the plasma.  DC  sputtering  may  only  be  used  to  deposit  from  conductive  targets.  If  an  insulating  target  is  used,  positive  charges  will  very  quickly  build  up  at  the  surface of the  target,  and deposition will stop [268].     

47     

  Figure 3.5 – Schematic Diagram of a DC sputtering System    RF  or  ‘radio  frequency’  sputtering  however,  can  be  employed  to  deposit  from  both  conductive and insulating targets. Essentially the setup is the same, however instead of  the  application  of  a  DC  bias,  a  high  frequency  AC  potential  is  applied  between  the  target and chamber. As before, the potential difference will result in ionisation of inert  gas molecules and the creation of a plasma. This time however, ions will be accelerated  toward  the  target  material  even  when  the  material  is  an  insulator.  Since  electron  mobility is far greater than that of the larger ionised species, the surface of the target  material  acquires  a  negative  charge  in  relation  to  the  conducting  plasma.  The  side  effects  of  this  technique  include  greater  heating  of  the  target  material  and  a  slower  deposition rate in comparison to DC sputtering.         

48     

  Figure 3.6 – Schematic Diagram of a RF sputtering System    Due to low ion densities which result in very low deposition rates, very few systems or  processes will employ pure DC (or ‘diode sputtering’) or RF sputtering. To increase the  rate and efficiency of deposition and reduce substrate heating effects experienced with  pure DC and RF sputtering techniques magnetron is now universally employed [269]. A  magnetron is essentially an assembly of magnets placed behind the target to create a  magnetic field at the surface of the target, trapping electrons emitted from the target  and forcing them to assume a spiral trajectory parallel to the target surface. This force  experienced  by  a  charged  particle  moving  in  the  presence  of  a  magnetic  field  can  be  given by the Lorentz force law:     

(40)  

This  results  in  significantly  increased  collisions  between  atoms  of  inert  working  gas  (due to a longer trajectory and increased probability of collision) and therefore results  in greater ionisation and subsequently increased target bombardment and associated  sputtering  rate.  The  terms  used  to  describe  these  techniques  then  become  DC  or  RF 

49     

magnetron  sputtering  respectively.  Sputtering  techniques  may  then  be  additionally  enhanced  by  the  inclusion  of  extra  methods  with  which  to  increase  free  electron  density  and  further  excite  the  ions  present  within  a  generated  plasma,  such  as  ICP  (Inductively  Coupled  Plasma)  and  MP  (Microwave  Plasma)  sources  (as  fitted  to  the  MicroDyn deposition system (4.1.4).   

  Figure 3.7 – Schematic diagram of a sputtering target with magnetron.    

Electron Beam Evaporation    Electron  beam  evaporation,  often  simply  referred  to  as  electron‐beam  or  e‐beam,  is  another PVD vacuum deposition technique. Electron beam deposition sources operate  by  bombarding  a  target  material  which  is  located  at  the  anode.  A  charged  tungsten  filament  (heated  to  prevent  contamination)  produces  a  beam  of  electrons  which  are  accelerated through potentials of up to 10kV. The ingenious feature of electron beam  guns  is  that  the  beam  is  generated  below  the  material  to  be  evaporated  and  is  deflected  through  270°  by  a  magnetic  field  (figure  3.8).  When  the  electron  beam 

50     

contacts  the  target  material  it  has  enough  energy  to  evaporate  even  refractory  materials. The evaporant may then react with any reactive gasses (where applicable),  before  condensing  upon  contact  with  the  substrate,  and  indeed  the  other  exposed  surfaces of the vacuum chamber, to form a thin film.   

  Figure 3.8 – Schematic representation of an electron beam evaporation source.    Since  the  beam  of  electrons  which  is  generated  is  often  very  narrow,  it  is  usually  ‘swept’ across the area containing the target material using a sweep generator. Sweep  generators  operate  by  varying  the  magnetic  field  directing  the  electron  beam.  With  two perpendicular solenoids the beam may then be swept over the entire surface area  of the target material.        51     

Electrodeposition   

Electrodeposition  or  ‘electrolytic  deposition’,  also  known  as  ‘electrophoretic  deposition’ (EPD), is an atmospheric wet‐chemistry process where electrical potential is  applied  to  the  substrate  which  in  turn  is  placed  within  an  electrochemical  cell.  As  before (2.2), this applied potential provides an EMF which results in positively charged  ions  or  molecules  migrating  toward  the  cathode  and  negatively  charged  ions  or  molecules migrating toward the anode due to electrophoresis [51], [270]. When these  charged  ions  or  molecules  meet  with  the  surface  of  the  electrode  to  which  they  are  attracted,  they  undergo  a  charge  balancing  redox  reaction  and  are  subsequently  deposited. Over time more and more ions or molecules will be deposited to eventually  form a thin film upon the surface of the electrode.   At  simple  example  of electrodeposition  is  that  of  deposition  of  Cu  from  a  solution  of  CuSO4  with  an  inert  (e.g.  Pt)  counter  electrode.  Here,  positively  charged  Cu2+  cations  will  migrate  to  the  cathode  and  undergo  the  following  charge  balancing  reduction  reaction:   

Cu

2e → Cu 

(41)

  To balance this, an equal and opposite reaction must occur at the anode, where water  molecules undergo oxidation to liberate O2 gas and protons which charge balance the  sulphate anions and form sulphuric acid:     

2H O → 4H

O

4e

(42)

   

4H

 

 

2SO

⇄ H SO  

 

52     

(43)

 

  Figure 3.9 – Illustration of an electrolytic cell for the cathodic deposition of Cu  from CuSO4. The substrate or work piece to be coated must be conductive in  this case.   

3.3.3 – Film Thickness Control    Thickness is a critical factor affecting the properties of thin films. Thickness can have an  influence  on  the  optical  [222],  [271],  mechanical  [272]  and  structural  [241],  [273]  properties  of  a  thin  film  since  thin  films  of  materials  often  possess  properties  which  differ  from  that  of  the  bulk  material.  With  respect  to  electrochromic  materials,  thickness  has  been  shown  to  strongly  influence  electrochromic  performance  and  longevity [119], [136], [273]. TCO materials, such ITO as used in the course of this work,  possess optical and electronic properties which experience well‐documented variation  with  film  thickness  [222].  Therefore  methods  enabling  the  measurement  of  film  thickness are essential.   

During Deposition   

During deposition, films produced in the course of this work have been controlled and /  or monitored by the following means:  53     



Time – Deposition time can be used as an effective method of controlling the  deposited  thickness  of  a  thin  film  when  the  deposition  rate  is  well  characterised. This method is best suited to the sputtering of thin films, since  the process is relatively stable and rate is proportional to sputtering power. By  depositing a film under controlled conditions for a set time, and measuring the  deposited  thickness  using  a  post‐deposition  technique,  the  rate  can  be  calculated. Using this rate one may extrapolate the time required to deposit a  film of the desired thickness. This method of deposited thickness control has  been employed with the; MicroDyn (4.1.4), CVC (4.1.5) and PlasmaCoat (4.1.6)  sputtering systems. 



Quartz  Crystal  Monitor  (QCM)  –  A  QCM  works  by  measuring  the  mass  deposited over its area. The ‘crystals’ themselves are transducer arrangements  with metal electrodes deposited upon each side of a thin piezoelectric quartz  crystal,  with  commercial  quartz  crystals  typically  possessing  a  resonant  frequency in the 4‐6 MHz range. When material is deposited upon the crystal,  the frequency at which it oscillates is reduced proportionally to the deposited  mass.  Through  continual  measurement  of  the  resonant  frequency  (down  to  1Hz resolution), an extremely accurate calculation of the deposited mass, and  therefore  thickness  can  be  made.  This  calculation  however,  relies  upon  a  deposited material being well characterised and thus is often effected by rate ,  pressure and other factors effecting the deposition.  



Optical  thickness  monitoring  –  Optical  thickness  monitors,  like  the  Scalar  Technologies ScalarGauge (see 4.5.2), are typically fast photo‐diode array type  spectrometer systems which continually measure the transmittance spectra of  a  transmissive  substrate  over  a  wavelength  range  throughout  the  course  of  the deposition. Through optical fitting, or pre‐determined optical modelling of  the expected spectra, the deposition may be stopped when a desired spectra  (and  thickness)  is  achieved.  For  well‐characterised  processes,  it  may  be  possible to monitor at just two or three, or even a single wavelength, however  more advanced systems such as the aforementioned ScalarGauge are capable  of taking hundreds of spectra per second, over a very large wavelength range,  with a high resolution.    54 

   

Post Deposition    After  deposition  of  the  desired  films,  the  following  post‐deposition  methods  of  thin  film thickness calculation have been employed to confirm actual deposited thicknesses  and  also  to  calibrate  the  pre‐mentioned  methods  of  controlling  thickness  during  deposition.   

SEM  –  SEM  micrographs  of  a  thin  film  cross‐section  can  be  used  to  directly  measure the thickness from the (known) image magnification. 



Optical  Characterisation  –  Mathematical  fitting  of  transmission  and  /  or  reflection  spectra  of  the  deposited  films  may  be  employed  to  accurately  calculate  both  the  optical  constants  (   and  ,  where  required)  and  /  or  thickness of the deposited films. 



Stylus Profilometer – A stylus profilometer works by running a diamond‐tipped  stylus  along  the  surface  of  the  sample  while  measuring  its  vertical  displacement.  Since  this  requires  a  change  in  profile,  it  is  necessary  that  an  area of the substrate being coated is masked such that the step between the  substrate and deposited film can be measured. 

 

3.4 – Physical Characterisation   

3.4.1 – Scanning Electron Microscopy   

A commonly employed and very useful characterisation technique for the investigation  of  both  the  surface  and  structural  properties  of  materials  and  thin  films  is  scanning  electron  microscopy  ‘SEM’.  Figure  3.10  provides  a  schematic  representation  of  how  SEM  works.  Briefly,  SEM  works  through  the  generation,  focusing,  and  scanning  of  an  electron beam across the surface of the sample in question. When the electrons come  into contact with the sample the resultant interaction causes; loss of electron energy  through  scattering  and  absorption  within  the  sample,  reflection  of  electrons  at  the  surface via elastic scattering; emission of secondary electrons from within the sample  55     

via inelastic scattering and also emission of electromagnetic radiation from the sample,  in  particular  characteristic  x‐rays,  allowing  chemical  analysis  of  the  imaged  area.  The  penetration  of  the  beam  is  dependent  upon  the  potential  applied  to  the  cathode,  typically a very sharp single crystal tungsten tip (in the case of FESEM), which is only a  few nm in diameter and generates the electrons.  A  positively  charged  anode  collects  these  electrons  and  translates  this  signal  into  an  image on  a  CRT  monitor which  has  a scan  rate equal  to  that of the electron beam  in  contact  with  the  sample,  effectively  creating  a  ‘map’  or  representative  image  of  the  sample which is produced from the signal intensity detected at the anode [274], [275].    

  Figure 3.10 – A schematic representation of how SEM works. 

56     

3.4.2 – Energy Dispersive X‐Ray     Energy  dispersive  x‐ray  analysis  ‘EDX’,  also  known  as  ‘EDAX’  and  ‘EDXS’,  is  a  spectroscopy  technique  capable  of  identifying  chemical  compositions  of  materials.  When  a  sample  is  contacted  by  an  electron  beam,  inner‐shell  electrons  of  various  atoms  within  the  material  become  excited,  and  if  given  enough  energy  are  ejected  from the sample. To compensate and ‘fill the hole’ left by the ejected electrons, higher  energy  electrons  from  outer  shells  will  move  into  the  inner  shells  and  the  energy  difference will be emitted as an x‐ray which may be detected.  Since each element possesses a unique atomic structure, the energy of the emitted x‐ rays will be unique to that element. Therefore by measuring the different energies and  numbers  of  x‐rays  detected  the  data  may  be  used  to  identify  the  elements  present  within a sample being tested and estimate the stoichiometry of the different elements  within  the  sample.  The  obvious  limitation  of  the  technique  however  is  that  it  relies  upon an element having both an inner and outer shell, therefore both H and He are not  detectable  since  they  possess  only  one  shell.  Also,  depending  upon  the  detector  in  question, some small elements such as Li may also be undetectable.   

3.4.3 – X‐Ray Diffraction (XRD)    X‐ray  diffraction  is  a  technique  that  utilises  the  wave  nature  of  x‐rays  to  provide  information  about  the  atomic  and  molecular  structure  of  a  crystalline  material.  It  operates  by  focusing  a  beam  of  incident  x‐ray  radiation  toward  the  material.  When  bombarded, the majority of energy will pass through the material, and a quantity will  be  absorbed.  The  remainder  will  induce  oscillation  of  electrons  contained  within  the  atomic structure of the crystal, since the wavelength (λ) of the x‐rays is within the same  order of magnitude of the inter‐planar spacing (d) of the crystal units (figure 3.11). This  oscillation  results  in  elastic  scattering,  where  the  electrons  (known  as  scatterers)  re‐ emit radiation in a scattered fashion.   

57     

These  scattered  emissions  interfere  with  one  another  destructively,  except  in  some  directions  where  they  combine  constructively  as  determined  by  Bragg’s  law  of  diffraction:   

   

2 sin

(44)

  Where;  λ  is  the  wavelength  of  incident  radiation,  n  is  the  order  of  the  diffraction,  d  is  the  inter‐planar  spacing,  and    is  the  scattering  angle  [276],  [277]. 

 

  Figure 3.11 – Illustration of constructive interference x‐ray diffraction or ‘Bragg  diffraction’, as represented by Bragg’s Law.            

58     

3.5 – Electrochemical Characterisation    Electrochemical characterisation is the characterisation of materials or devices through  the  use  of  various  electrochemical  techniques  and  is  an  invaluable  tool  in  the  characterisation  of  electrochromic  materials  and  devices.  Amongst  other  electrochemical 

methods; 

cyclic 

voltammetry, 

chrono 

amperometry 

and 

electrochemical impedance spectroscopy are the most widely used and are employed  throughout this thesis.   All  of  the  aforementioned  methods  require  the  use  of  an  electrochemical  cell.  In  its  most basic form an electrochemical cell must comprise of at least a working electrode  (WE) and a counter electrode (CE), immersed in or separated by an electrolyte. Such a  simple cell is often referred to as a two‐electrode cell. However, unless the properties  of  the  cell  as  a  whole  are  being  investigated,  a  two  electrode  cell  is  rarely  employed  since in order for the system to provide useful information about the WE, the CE must  be  capable  of  maintaining  a  constant  redox  potential  (with  which  to  compare  the  potential of the WE) while passing current.  

Figure 3.12 – Schematic representation of a three electrode cell with a typical  Ag/AgCl reference electrode.    59     

  To  avoid  any  fluctuations  in  redox  potential  while  passing  current,  a  three  electrode  cell  is  most  often  employed  (figure  3.12),  with  the  addition  of  a  reference  electrode  (RE)  alongside  the  WE  and  CE.  The  RE  consists  of  a  suitably  characterised  electrochemical  ‘half‐cell’  (such  as  Ag/AgCl  or  calomel  34)  which  is  most  usually  connected to the main cell by means of a salt bridge or glass frit. The connection to the  RE  presents  a  very  large  resistance  to  the  system  so  that  the  RE  passes  virtually  no  current, and therefore is capable of maintaining a stable reference potential. In a three  electrode  system,  it  is  common  for  the  CE  to  be  manufactured  from  a  non‐reactive  material (such as platinum), with a surface area greater than that of the WE to avoid  current limitation issues.    

3.5.1 – Cyclic Voltammetry    Cyclic  voltammetry  (CV)  is  a  common  electrochemical  technique  employed  in  the  characterisation of  electrochemical  processes.  It  is  a  modification  of  the more simple  linear  sweep  voltammetry  (LSV),  and  involves  applying  a  linearly  sweeping  potential  (triangular waveform) to a cell back‐and‐forth between two points at a constant scan  rate. During this process the current passing through the WE is recorded. The resulting  ‘cyclic  voltammograms’  may  present  useful  data  on  the  electrochemical  processes  occurring  at  the  WE  and  reveal  the  potential  ranges  where  specific  reactions  occur,  including,  but  not  limited  to  redox  potentials  and  the  kinetic  and  thermodynamic  properties  of  a  material  or  cell  [278],  and  may  be  used  to  reveal  even  more,  or  with  improved accuracy, when combined with other techniques such as spectroscopy [59],  [279]  and  mass  measurement  [279],  [280].  It  is  particularly  useful  for  studying  reversible  redox  behaviour  such  as  that  which  electrochromic  materials  and  devices  exhibit. Figure 3.13 provides an illustration of a CV waveform. 

60     

  Figure 3.13 – Potential versus time during CV analysis   

3.5.2 – Chrono Amperometry   

Chrono  amperometry  (CA)  is  a  square‐wave  voltammetry  (SWV)  technique  which  involves  the  recording  of  current  passing  through  the  WE  over  time  while  applying  a  square‐wave  potential.  In  initial  investigation  it  often  may  be  used  to  investigate  the  potential  ranges  of  processes  through  separation  of  capacitive  currents  and  those  faradaic currents associated with redox behaviour [278]. In the study of electrochromic  materials and devices it is employed to switch the material or device between different  redox potentials and consequently, colour states. This method may in‐turn also provide  data on the electrochromic properties including, but not limited to the; response time,  charge capacity and reversibility of function. Through repeated cycling, the longevity of  the  device  is also able  to be  investigated.  Figure 3.14  provides  an  illustration of  a  CA  waveform. 

   

Figure 3.14 – Potential versus time during CA analysis  61 

   

Chapter 4 – Experimental   

4.1 – Thin Film Deposition   

4.1.1 ‐ Substrates    To  ensure  the  quality  and  adhesion  of  deposited  films  and  avoid  unnecessary  blemishes or pinholes, it is important to ensure that substrates are suitably prepared  and  cleaned  prior  to  use.  In  this  work,  all  substrates  have  been  cleaned  thoroughly  before the deposition of films using the Optimal UCS40 commercial ultrasonic cleaning  system (4.1.2).  The substrates employed in the course of this work are as follows:   

Glass Microslide Substrates    Glass  microscope  slides  (76  x  26mm,  1.0mm  thickness)  as  supplied  by  Agar  Scientific  were used for the majority of depositions in the course of this work.  Large  microslide  substrates  (110  x  76mm,  1.2mm  thickness)  as  supplied  by  Logitech,  were employed for the construction of large area devices.   

ITO Coated Glass Microslide Substrates    ITO  coated  glass  microslide  substrates  were  produced  using  plain  glass  microslide  substrates as detailed above using the MicroDyn commercial sputtering system (4.1.4).  Active  coated  area  was  70  x  20mm,  achieved  through  the  use  of  custom  substrate‐ holders (4.1.8) with the appropriate area masks (4.1.7). 

62     

Fused Silica Discs    Fused  silica  disk  substrates  (20mm  diameter,  2.0mm  and  1.0mm  thicknesses)  were  cleaned and used for optical measurement and fitting work as required.   

Curved Polymer Substrates    Curved  Polymer  substrates  of  an  undisclosed  laminated  construction  comprised  primarily of acetate material with a SiO2  type hard coating (80mm width, 50mm height  and  1.6mm  thickness)  were  cleaned  and  used  for  deposition  of  ITO  as  presented  in  5.6.6.   

4.1.2 – Optimal UCS40 Commercial Ultrasonic Cleaning System   

  Figure 4.1 – The Optimal UCS40 commercial ultrasonic cleaning system 

63     

Substrates used during the course of this work were cleaned using an Optimal UCS 40  (Figure 4.1). In this system substrates are cleaned in a four stage automated process:  1. 40  kHz  Ultrasonic  cleaning  in  a  heated  40C  bath  containing  a  potassium  hydroxide based cleaning solution.   2. 40  kHz  Ultrasonic  cleaning  in  a  heated  40C  bath  containing  dilute  industrial  washing liquid.   3. DI (de‐ionised) water rinse in a heated 55C bath.  4. Final DI water rinse followed by a capillary dry in a heated 55C bath.  The total cycle from beginning to end takes approximately 15 minutes. Tests upon ITO  coated substrates failed to detect any notable differences in substrates cleaned using  this system.    

4.1.3 – Satis MSLab 370 Electron Beam Evaporation System   

  Figure 4.2 – The Satis MSLab 370 Electron Beam Evaporation System 

64     

  The  majority  of  electrochromic  transition  metal  oxides  which  have  been  prepared  in  the  course of  this work  have  been  deposited  using  a  Satis  MSLab  370  series electron  beam evaporation system equipped with two sources and a sweep generator (4.2 and  c). The substrates are held in custom substrate‐holders (see 4.1.8) on a large rotating  calotte (20 rpm) with the appropriate area masks (see 4.1.7). In the centre, a stationary  quartz crystal monitor (QCM) is employed to monitor the deposited mass, allowing for  rate and thickness control throughout the deposition, control of which is provided by  the  system  software.  Process  gasses  are  introduced  at  the  base  of  the  chamber  and  flows  are  computer  controlled  using  mass  flow  controllers  (MFCs).  Typical  base  pressure achieved with this system before process initiation would be 8.0 x 10‐7 Torr.   

  Figure 4.3 – Annotated vacuum chamber interior of the Satis MSLab 370 series  electron beam evaporation system with metal deposition shielding removed.    For  all  depositions  the  right  hand  source  was  used  which  is  fitted  with  a  six  pocket  copper  hearth  and  7cc  crucibles.  Source‐to‐substrate  distance  averages  at  approximately 650mm at line of sight. 

65     

4.1.4 – MicroDyn 40000 Series Microwave‐Assisted Commercial Pulsed DC  Magnetron Sputtering System    The MicroDyn 40000 series is a microwave‐assisted commercial pulsed DC magnetron  sputtering deposition system produced and patented by Deposition Sciences Ltd (figure  4.4). This system has been used throughout this work to produce ITO coated substrates  for  electrochromic  devices  on  a  commercial  scale.  It  makes  use  of  large  planar  sputtering targets (15” X 5”), and employs a microwave plasma source to enhance the  deposition  rate.  Typically  a  base  pressure  of  1.0  x  10‐6  mBar  would  be  established  before processes were initiated.     

  Figure  4.4  –  The  MicroDyn  40000  Series  Microwave‐Assisted  Commercial  Pulsed DC Magnetron Sputtering System with custom substrate tooling (4.1.8)  fitted to rotary drum.      

66     

Substrates are attached to a circular or hexadecagon drum which is placed within the  chamber and rotated to allow for a large depositable area and greater uniformity. As  part  of  this  work,  substrate  holder  tooling  (4.1.8  ‐  as  shown  above  Figure  4.4)  and  substrate masks have been designed and produced for the deposition of the required  films.  The targets are placed behind a shadow masking arrangement to enhance uniformity  across the drum. Thickness control is available using two QCMs, which ‘see’ the target  through regularly positioned holes across the drum. In the system setup used, two of  the possible four target positions are fitted with blanking plates (figure 4.5).   

  Figure 4.5 – Schematic representation of the MicroDyn 40000 series.        

67     

4.1.5 – CVC AST 304    The CVC AST 304 (figure 4.6), is a bell jar style RF sputtering system employed in this  thesis  in  the  deposition  of  lithium  phosphorus  oxy‐nitride  (LiPON)  from  a  lithium  phosphate  (LiPO4)  target.  The  system  features  a  water‐cooled  metal  bell  jar  arrangement  with  two  8”  targets  mounted  at  the  top  of  the  chamber,  rotating  substrate shutter and planetary table arrangement with six substrate tables. Both the  individual substrate tables and entire assembly of six can be made to rotate individually  or  together,  with  variable  speed.  Also  at  the  top  of  the  chamber  exists  a  third  unoccupied target position, a heater, and an ion source. Process gasses are introduced  at  the  top  of  the  chamber  and  flows  are  computer  controlled  using  mass  flow  controllers  (MFCs),  with  additional  control  of  chamber  pressure  being  provided  by  a  throttle arrangement above the cryo pump. Base pressure was typically in the region of  5.0 x 10‐6 ‐ 8.0 x 10‐6 Torr. 

   

Figure 4.6 – The CVC AST 304 RF Sputtering System 

68     

 

4.1.6 – AML PlasmaCoat Plus II     

   

Figure 4.7 – The AML PlasmaCoat Plus II  

  Electrochromic  mixed‐metal  Ni‐Cr  oxides  and  TCO  films  ITO  were  deposited  using  an  AML  PlasmaCoat  Plus  II  ophthalmic  coating  system  (figure  4.7).  The  PlasmaCoat  is  a  small batch high throughput plasma‐assisted DC sputtering system, equipped with two  6” DC magnetrons and a 4” hollow cathode plasma source. The substrates are attached  to a rotating carousel (100rpm) which is transferred through a load‐lock to the coating  chamber (figure 4.8  below).  It  is  capable of  holding  six  substrates.  Process  gasses  are  introduced  into  the  chamber  and  flows  are  computer  controlled  using  mass  flow  controllers  (MFCs).  Process  gasses  are  introduced  and  the  process  initiated  automatically when a base pressure of 5.0 x 10‐6 is established.   

69     

   

   

Figure 4.8 – Rotating carousel assembly [281] 

  The  system  was  originally  designed  for  the  application  of  AR  and  aesthetic  mirror  coatings  to  ophthalmic  lenses,  and  can  be  used  to  deposit  upon  curved  and  flat  substrates, with a high throughput and fully automated deposition. The standard target  materials with which the machine was designed to operate were silicon and zirconium.  To adapt the system for use with other materials, the controlling PC was connected to  an external monitor and keyboard and customised deposition programs were created.   

4.1.7 – Substrate Masking    For a process to be well controlled and reproducible – as is required when producing  films and devices on a commercial scale – it is imperative that the deposited area be  controlled.  To produce the films in this work, various different slide masks have been designed for  different  electrochromic  and  electrode  layers  for  electrochromic  devices  (figure  4.9).  These were laser cut from non‐magnetic stainless steel (0.5mm thickness) and fit inside 

70     

the  respective  substrate  holders  or  be  attached  directly to  the  substrates  themselves  using Kapton® tape.   

  Figure  4.9  –  Photograph  of  different  substrate  area  masks  designed,  constructed and employed within this work.    The  slide  masks  provided  accurate  and  reproducible  control  of  deposited  and  active  areas  of  electrochromes  and  devices.  They  were  found  to  produce  a  small  area  of  ‘shadowing’ around the borders of the deposited areas. This was approximately equal  to the mask thickness (0.5mm) and could be reduced if necessary via the use of thinner  masks  or  sharpening  of  the  masked  edges,  however  this  effect  was  found  to  be  sufficiently small as to cause negligible effect upon the results of the work performed  and  it  was  decided  that  0.5mm  masks  provided  an  acceptable  compromise  between  durability, cost and function.    

4.1.8 – Substrate Holder Tooling     As  detailed  in  chapter  1,  this  work  focuses  on  producing  electrochromic  devices  on  commercial scale equipment. For one to assess the viability of using such equipment to  produce  thin  film  devices  on  a  commercial  scale  it  is  not  sufficient  to  simply  deposit  upon a couple of samples placed within a commercial scale chamber.  

71     

The  behaviour  and  rate  of  thin  film  growth  is  highly  dependent  upon  the  material  of  the  surface  being  coated  and  substrate  temperature  [282],  [283].  The  chambers  of  commercial  scale  vacuum  systems  are  invariably  constructed  of  metal,  most  often  stainless steel, and since the substrates are of a different material, the coating process  will  behave  differently  depending  upon  the  number  of  substrates  being  coated,  or  more specifically the ratio of metal to substrate surface area being coated. As a result  of  this  it  is  necessary  to  perform  commercial  scale  depositions  involving  many  substrates for accurate assessments of viability to be made.  To  facilitate  this,  and  also  improve  the  performance  and  reproducibility  of  the  materials deposited throughout this work, substrate tooling was developed and tested  as described in 5.7.1.   

4.2 – Optical Characterisation    Optical characterisation (as described in 2.3.1) was employed in the course of this work  to  characterise  deposited  films  and  calculate  film  thickness.  The  majority  of  characterisation  was  performed  on  the  Hitachi  U‐3501  and  Aquila  Instruments  nkd8000 spectrophotometers.    

4.2.1 – Hitachi U‐3501 Spectrophotometer    The  Hitachi  U‐3501  (figure  4.10),  is  a  dual  beam  spectrophotometer  fitted  with  deuterium  and  iodine‐tungsten  lamps  for  UV  and  visible  region  /  near  IR  measurements  respectively.  It  employs  a  dual  beam  monochromator  system  for  continuous  reference  acquisition.  Light  is  detected  by  a  twinned  arrangement  of  a  photomultiplier (for UV and visible region) and lead‐sulphide detector (for near‐IR) 14.   The sample is placed in the path of one of the beams of light, with light contacting the  sample at 0°. 

72     

   

Figure 4.10 – The Hitachi U‐3501 spectrophotometer 

   

4.2.2 – Aquila Instruments nkd‐8000 Spectrophotometer      The  Aquila  Instruments  nkd‐8000  (figure  4.11),  is  a  spectrophotometer  system  which  simultaneously measures transmittance and reflectance of a sample at incident angles  between 10 and 70 degrees. Samples, along with a silica reference, are located upon  an x‐y stage which can be moved in order to change positions between the sample and  reference  and  /  or map  different  areas of  the  sample.  The  system  employed  is  fitted  with  a  high  stability  quartz  tungsten  halogen  light  source  and  features  two  detectors  (fitted  independently  of  each  other  where  required)  which  provide  an  observable  range  of  350‐1700nm.  The  system  is  capable  of  controlled  polarisation  selection  and  employs  the  ProOptix  software  package  to  provide  the  capability  to  model  the  resultant spectra and solve for n, k and film thickness. 

73     

  Figure 4.11 – The Aquila Instruments nkd‐8000 spectrophotometer   

4.3 – Physical Characterisation   

4.3.1 – Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X‐Ray    

In this work, a Hitachi S4100 FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) has  been  employed  to  generate  SEM  micrographs  for  analysis  and  comparison  of  electrochromic materials.  Samples were imaged at various magnifications. This system  has  a  magnification  range  of  20‐30000x,  with  a  resolution  of  1.5  nm.  Acceleration  voltage may be adjusted up to a maximum of 30 kV.  The  Energy  Dispersive  X‐Ray  (EDX)  analysis  performed  in  this  work  was  performed  using  a  model  6566  Oxford  Instruments  Gem  germanium  detector  attached  to  the  aforementioned Hitachi S4100 FESEM. 

74     

  Figure  4.12  –  The  Hitachi  S4100  FESEM  fitted  with  a  model  6566  Oxford  Instruments Gem Germanium detector.     

4.3.2 – X‐Ray Diffraction (XRD)   

XRD  analysis  throughout  this  work  has  been  performed  using  a  Siemens  D5000  x‐ray  diffractometer (figure 4.13). The x‐ray source fitted was a Cu Kα. 

  Figure 4.13 – The Siemens D5000 X‐Ray Diffractometer  75     

4.3.3 – Stylus Profilometry   

Where  applicable,  film  thicknesses  were  measured  using  a  Dektak  3ST  surface  profilometer (of the model depicted in figure 4.14) using step height determination. 

  Figure 4.14 – The Dektak 3ST surface profilometer   

4.3.4 – Sheet Resistance Measurement   

Sheet  resistance  measurements  were  taken  using  a  four  point  probe  constructed  by  Jandel Engineering of Bedfordshire, UK (figure 4.15) 

 

Figure 4.15 – The Jandel Engineering four point probe 

76     

 

4.4 – Electrochemical Analysis   

4.4.1 ‐ Instrumentation   

To investigate the electrochemical properties of single electrochromic material layers,  a  potentiostat  was  employed  with  a  three  electrode  setup  in  a  suitable  liquid  electrolyte.  The  sample  in  question  formed  the  working  electrode,  with  Pt  wire  employed  as  the  counter  electrode  and  either  a  Calomel  or  Ag/AgCl  reference  electrode. 

  Figure 4.16 – Radiometer Analytical PGZ301 Potentiostat    Initially  a  Radiometer  Analytical  PGZ301  (figure  4.16)  was  used  as  the  driving  potentiostat. However due to limitations imposed by the instrument and the software,  later 

results 

and 

synchronised 

in‐situ 

broadband 

spectroelectrochemical 

measurements were performed using an Ivium IviumSTAT potentiostat (figure 4.17). 

  Figure 4.17 – Ivium IviumSTAT Potentiostat  77     

4.4.2 – Electrolytes     Essentially,  an  electrolyte  solution  is  any  solution  capable  of  carrying  an  ionic  (or  protonic) current. Selection of a suitable electrolyte is an important consideration for  any electrochemical investigation, since the pH of certain electrolyte solutions may be  very  high  or  low,  or  the  electrodes  or  species  under  investigation  may  be  soluble  or  reactive  with  the  solvent  or  species  employed.  Additionally  they  may  not  be  stable  across  the  desired  potential  range.  Such  conditions  may  be  incompatible  with  the  sample  and  lead  to  degradation  or  complete  destruction  of  the  sample.  This  can  be  observed  for  electrochromes  such  as  cathodic  WO3,  which  works  efficiently  in  acidic  (low pH) conditions, yet is quickly etched by very basic conditions, whereas anodic NiO  favours basic conditions, and quickly degrades in very acidic electrolytes. Equally, the  electrolyte  species  themselves  may  attack  the  working  electrode,  or  even  in  some  cases,  such  as  those  containing  lithium  salts,  the  solvent.  Therefore  careful  consideration must be made to the choice of electrolyte.   Typically anodically colouring electrochromes possess low oxidation states and favour  basic conditions, whereas cathodically colouring electrochromes typically possess high  oxidation states and favour acidic conditions.  The electrolytes employed for liquid electrochemical characterisation in the course of  this work are as follows:    Table 4.1 – Liquid electrolytes employed in the course of this work 

 

Electrolyte 

Solvent 

Concentration

Electrochromes

KOH 

H2O 

0.1M

NiO, TiO2, Ni‐Cr Oxide 

LiClO4 

PC 

1.0M

NiO, TiO2, WO3

KCl 

H2O 

1.0M

Prussian Blue

 

   

78     

4.4.3 – Cyclic Voltammetry    For  electrochemical  analysis  to  provide  useful  data,  the  potential  range  forms  an  important consideration. In this work, the suitable potential range was set within that  of  the  selected  electrolyte  and  determined  using  CV.  Choosing  values  outside  of  the  electrolyte  window  may  lead  to  the  electrolysis  of  water  (in  the  case  of  aqueous  electrolytes)  and  undesired  gas  evolution  or  other  un‐wanted  side  reactions.  Also,  unsuitable values may result in unsuitable conditions (such as change of PH, insoluble  deposition  of  Li2O,  etc…)  which  lead  to  a  reduction  if  efficiency  or  function  of  an  electrochrome.  By  varying  the  scan  rate  and  potential  range,  suitable  values  for  CA  analysis  were  determined for each electrochrome / electrolyte combination (see 4.4.4).   

4.4.4 – Chrono Amperometry    The following colouration and bleaching potentials were used for CA measurements:  Table 4.2 – Various electrolytes employed for characterisation of materials 

 

 

 

Electrochrome  Electrolyte  Concentration

Potentials 

 

Colour

Bleach

Reference 

KOH 

1.0M

+0.7V

‐0.6V

SCE 

 

 

 

 

Ag/AgCl 

LiClO4‐PC 

1.0M 

+2.0V 

‐0.6V 

Ag/AgCl 

Ni‐Cr Oxide 

KOH 

1.0M

+0.7V

‐0.6V

Ag/AgCl 

TiO2 

KOH 

1.0M

‐1.2V

+1.0V

Ag/AgCl 

LiClO4‐PC 

1.0M 

‐2.0V 

+0.6V 

Ag/AgCl 

WO3 

LiClO4‐PC 

0.5M

‐2.0V

+ 0.6V

Ag/AgCl 

Prussian Blue 

KCl 

1.0M

Various

NiO 

79     

Ag/AgCl 

4.5 –Spectroelectrochemical Analysis    In  the  field  of electrochromism,  and  indeed,  any chromic  technology,  spectroscopy  is  one  of,  if  not  the  most  valuable  characterisation  techniques  available.  Spectroscopic  measurements may be performed ex‐situ (out with the electrochemical cell) or in‐situ  (within  the  electrochemical  cell).  While  many  studies  may  make  sole  use  of  ex‐situ  measurements for electrochromic analysis, this approach, while useful, provides only a  partial  picture  of  the  electrochromic  colour  change  and  also  may  be  inaccurate  for  some materials, for example:  

Where  a  material  may  exhibit  more  than  one  colour,  e.g.  Prussian  Blue,  intermediate colour changes and / or absorption peaks may not be observed,  this is especially the case for materials which colour or bleach quickly.  



The removal of a material from the electrolyte, exposure to atmosphere and /  or cleaning solutions, and drying before ex‐situ measurement, may itself often  result  in  a  partial  or  even  complete  colour  change  of  the  material.  Thereby  rendering the ex‐situ measurement inaccurate. 



Transmission  change  measurements  for  different  applied  potentials,  inserted  charges  or  colouration  times,  require  many  different  separate  measurements  and  are  therefore  time  consuming,  inefficient  and  may  require  many  more  samples for testing to ensure repeatability.  

In‐situ  spectroscopy  in  comparison,  is  where  both  spectroscopic  and  electrochemical  measurements are taken simultaneously by placing the electrochemical cell in the light  path of a suitable spectrophotometer. Through synchronisation of the respective data,  a complete picture of the spectroelectrochemical behaviour of a material or device can  be realised.  Different  research  groups  often  develop  bespoke  solutions  to  in‐situ  spectroelectrochemical  measurement  [63],  [66],  [68],  [195],  [198],  [244],  [284],  the  details  of  such  systems  of  measurement  and  the  spectroelectrochemical  cells  used  rarely being mentioned or described in detail, further leading to variations and lack of  comparability between studies. 

80     

A novel solution to this problem has been developed and evolved, resulting in fast and  accurate broadband spectroelectrochemical measurement of electrochromic materials  and devices. This solution and details of its development and testing are presented in  5.2.                                         

81     

Chapter 5 – Measurements, Results  & Discussion    This  chapter  presents  the results  obtained  from  investigations  performed  throughout  the course of this project. These results are divided into multiple sections as follows:  

5.1  looks  at  the  considerations  required  when  undertaking  a  research  study  aimed  at  producing  commercially  scalable  results,  presenting  experimental  details and results obtained during development of suitable substrate tooling. 



5.2  concentrates  upon  the  development  of  a  system  for  the  in‐situ  spectroelectrochemical  characterisation  of  electrochromic  materials  and  the  acquisition  of  synchronised  real‐time  broadband  spectroscopic  and  electrochemical data, along with the development of suitable in‐situ cells.  



5.3 presents data obtained for ITO coated substrates as produced in the course  of this work. As explained in 3.2, ITO is the most commonly used TCO material,  and based upon its availability and proven performance, has been selected as  the TCO electrode material employed in the course of this work. The presented  results  focus  upon  those  films  produced  upon  the  PlasmaCoat  deposition  system  (4.1.6),  since  they  have  been  found  to  possess  unique  crystalline  orientation  while  providing  good  performance  for  films  produced  at  room  temperature and at a notably high deposition rate. 



5.4  –  5.8  present  investigations  relating  to  the  optimisation  of  thin  film  material  properties  for  the  chosen  electrochromic  materials.  Each  of  the  materials  has  been  characterised  in  depth  such  that  the  material  can  be  deposited  reproducibly,  and  the  specifics  electrochromic  behaviour  of  the  materials  are  clear,  so  that  their  feasibility  for  inclusion  in  an  electrochromic  device intended for commercial scale production may be assessed. 



5.9  Provides  a  table  summary  of  the  electrochromic  properties  of  materials  produced in the course of this work. 



Finally,  5.10  presents  the  attempts  made  toward  the  production  of  working  electrochromic devices. 

82     

5.1 – Commercial Scalability   

5.1.1 – Preliminary Work    As  discussed  in  4.1.8,  for  the  viability  of  materials  and  devices  constructed  with  said  materials  to  be  established,  it  is  necessary  to  perform  commercial  scale  depositions  involving many substrates.  During  the  early  stages  of  this  project,  work  was  focused  upon  producing  the  conductive  ITO  substrates  required  for  the  subsequent  electrochromic  layers  and  device  construction.  At  this  point,  as  is  often  the  case  in  research  institutions  where  many different shapes and sizes of substrates are employed, substrates were attached  to  the  vacuum  system  tooling  using  carbon  or  Kapton®  tape.  This  method  of  placing  substrates  inside  a  vacuum  coating  system  often  works  well  for  low  volume  applications;  however  it  presents  significant  challenges  and  limitations  when  attempting to deposit commercial scale quantities, namely:  

Attachment  of  many  substrates,  and  subsequent  removal  and  cleaning  of  substrates  and  tooling  is  inefficient,  involving  a  great  deal  of  time  and  dexterity. 



Reproducibility  of  substrate  placement  and  tape  attachment  is  questionable,  making run‐to‐run reproducibility as would be required in a commercial scale  situation hard if not impossible. 



No option for reproducible control or masking of deposition area. 

  To assess the significance of these limitations and produce the majority of ITO required  for  the  work  presented  herein,  ITO  was  optimised  and  produced  on  the  MicroDyn  commercial  sputtering  system  described  in  4.1.4.  Glass  microslide  substrates  were  attached  to  a  flat  plate  hexadecagon  rotary  drum  using  two  small  squares  of  carbon  tape at each end.   Following  optimisation  of  the  ITO  thin  films,  it  was  apparent  that  not  only  were  the  aforementioned  issues  a  reality,  but  that  the  carbon  tape  used  significantly  affected 

83     

the resultant films. ITO is known to be a particularly sensitive material to produce, and  the ITO produced in the course of this work is no exception. At the positions where the  carbon  tape  had  been  attached  to  the  substrates,  the  appearance  of  the  film  was  markedly different (figure 5.1).   

  Figure 5.1 – ITO coated microslide produced at ambient room temperature in  MicroDyn  40000  series  commercial  sputtering  system  under  optimal  conditions.  Note  the  discoloured  areas  toward  each  end  of  the  substrate,  which correspond to the positioning of the carbon tape.    This  variation  was  confirmed  through  spectroscopic  analysis  using  an  Aquila  Instruments  nkd8000  (4.2.2)  at  10°.  Fitting  of  the  spectra  indicated  that  thickness  of  the  thin  film  at  the  centre  of  the  sample  was  262.5nm,  while  at  the  edges  of  the  sample was as much as 277.0nm, a 5.5% variation.   The sheet resistance of the samples was then measured for multiple points (as denoted  in  figure  5.2  below),  and  found  to  typically  vary  by  22‐41%.  This  variation  in  the  deposition  could  be  attributed  to  a  ‘heat‐sinking’  effect  where  the  carbon  tape  was  conducting thermal energy away from the surface of the substrate in the areas it was  attached. This hypothesis is drawn to because ITO is known to be sensitive to substrate  temperature  during  deposition  [226],  [285].  Such  a  variation  in  uniformity  across  a  sample could present significant problems for electrochromic devices. In the case of an  electrochromic device, the variation in resistivity of the ITO layer could result in uneven  transition,  and  stressing  of  small  areas  of  the  resultant  devices  as  a  result  of  concentrated  over  and  /  or  undercharging.  The  magnitude  of  this  variation  in  sheet  resistance  was  far  greater  than  expected,  so  further  depositions  were  performed  to 

84     

confirm the validity of the measurements obtained. It was found that subsequent runs  exhibited  the  same  level  of  variation  in  sheet  resistance.  Additionally,  the  unmasked  substrates were coated on the edges as well as the intended surface which could result  in short circuiting of layers in devices where many layers are deposited on top of one  another, confirming the need for an alternative approach to slide attachment.   

  Figure 5.2 – Sheet resistance measurement positions and results for different  samples  attached  by  the  carbon  tape  method.  (Samples  obtained  from  the  same position from three consecutive optimised runs)   

Discussion    After  evaluation  of the  results  established  above,  it was  determined  that methods  of  attaching  or  holding  substrates  to  deposition  systems  in  a  uniform  manner  was  desirable, and the following basic requirements were drawn:  1. They  must  hold  substrates  in  a  safe  and  secure  manner  to  avoid  damage to the system.  2. The  substrates  must  be  held  uniformly  to  avoid  uneven  deposition  effects and ensure reproducibility.  3. The  main  substrates  are  standard  glass  microscope  slides  (26x76mm,  1.0mm thick – 4.1.1). 

85     

4. Slide masks to control the deposited area should be used (4.1.7).  5. Any  materials  employed  must  be  non‐magnetic  (due  to  the  effect  it  may  have  upon  the  resultant  depositions  and  interaction  with  the  magnetron in the case of sputtering systems).  6. Holders  must  be  designed  to  cope  with  the  conditions  inside  the  deposition  chamber;  high  vacuum,  large  rotational  velocity,  high  temperature.    The other desirable attributes were also drawn:‐  7. It  should  be  quick  and  efficient  compared  to  the  tape  attachment  method.  8. Two  sided  deposition  without  handling  of  the  substrates  may  be  advantageous where possible.  9. Cost should be kept to a minimum.    Adhering to these requirements, substrate holders were designed and produced, along  with  suitable  slide  masking  arrangements  for  both  the  MicroDyn  40000  series  commercial  sputtering  system  and  Satis  MSLab  370  commercial  scale  electron  beam  system (As described previously in 4.1.4 and 4.1.3 respectively) as follows.   

5.1.2 – Development of Substrate Tooling for the MicroDyn 40000 Series  Commercial Sputtering System    As  described  in  4.1.4,  the  MicroDyn  40000  series  is  a  commercial  sputtering  system  which  employs  planar  sputtering  targets.  The  substrates  which  are  to  be  coated  are  loaded  on  a  rotary  drum.  Two  types  of  drum  exist  for  the  system,  a  circular  one  for  coating flexible substrates (e.g. polymer film), and one comprising of sixteen flat plates  which form a hexadecagon for rigid substrates. 

86     

Following  the  designation  of  the  aforementioned  requirements  for  substrate  holder  tooling, a suitable cassette‐type arrangement was designed in AutoCAD™ 2011 (figure  5.3 below), and a prototype was produced (figure 5.4). It was designed with a layered  design  utilising  economical  and  accurate  laser  cut  metal  parts  in  order  to  satisfy  the  requirements from both an operational and cost perspective.   

  Figure 5.3 – AutoCAD™ image of cassette type substrate holder tooling   

  Figure  5.4  –  The  prototype  of  the  cassette  holder  arrangement  produced  for  testing and evaluation of the design.    The  prototype  above  was  then  successfully  tested  during  a  long  deposition  of  SiO2,  chosen  to  stress  the  holder  (Long  SiO2  depositions  result  in  high  substrate  temperatures).  The  test  deposition  was  completed  without  any  ill‐effects.  Following  this,  a  full  set of  sixteen  cassette‐carrier assemblies was  produced.  A  crystal  blanking 

87     

plate  provides  a  hole  in  every‐other  slide  holder  place,  so  that  the  quartz  crystal  deposition monitor can be utilised resulting in a total drum capacity of 72 microscope  slides (figure 5.5).    

Figure  5.5  –  Close  up  photograph  of  substrate  holder  assembly  with  cassette  partially  removed.  A  picture  of  the  complete  drum  assembly  alongside  the  MicroDyn system is included in 4.1.4.    Substrate Holder Tooling Test Results and Discussion    Following  design  and  construction  of  the  new  substrate  holder  assemblies,  ITO  was  once again optimised for deposition and deposited upon glass microslide substrates. To  use the new holders a 3mm edge mask (4.1.7) is required to be allow the substrates to  be held securely by the holder, and is additionally useful for controlling the deposited  area. The result is a slightly smaller 70x20mm deposited area in comparison to the old 

88     

carbon‐tape  attachment  method,  however  it  ensures  that  there  is  no  unwanted  coating of the sides of the substrate.  Immediately the difference in uniformity of the samples produced was apparent (figure  5.6), with no visible variation across the sample.   

  Figure  5.6  –  ITO  produced  at  ambient  room  temperature  with  the  substrate  holder assembly.    The  newly  obtained  samples  were  tested  as  before,  with  spectroscopic  analysis  performed using an Aquila Instruments nkd8000 at 10°. This time, fitting of the spectra  indicated that thickness of the thin film at the centre of the sample was 276.5nm, while  at  the  edges  of  the  sample  was  this  time  slightly  lower  at  274.2nm,  a  far  reduced  variation of 0.8%.  From  figure  5.7,  it  can  be  observed  that  variation  in  sheet  resistance  was  markedly  reduced  to  just  3‐4%  across  the  working  area  of  the  sample.  This  displays  a  drastic  improvement in uniformity over the carbon tape attachment method (22‐41%), and of  course  the  exact  position  of  substrates  can  now  be  easily  maintained  between  runs;  significantly  improving  run‐to‐run  reproducibility  which  is  of  vital  importance  to  commercial  production  (see  figure  5.7  opposite)  [269].  This  improvement  is  greater  than  was  expected,  with  the  remaining  3‐4%  variation  in  sheet  resistance,  being  attributed to the effect of variation across the drum, where coating of a flat substrate  leads  to  slight  unavoidable  variation  in  deposition  path  between  the  target  and  substrate as demonstrated in figure 5.8. 

89     

  Figure 5.7 – Sheet resistance measurement positions and results for different  samples attached using the substrate holder cassette assemblies   

  Figure 5.8 – Depiction of substrate / target distance variation between centre  and  edges  of  a  flat  substrate  and  target  material  when  attached  to  a  drum‐ coater type system. 

90     

Utilising  the  slide  holder  assemblies,  a  very  small  variation  may  also  be  seen  at  the  extreme edges at the border of the deposited area, approximately equal to the mask  thickness  (0.5mm),  as  a  result  of  ‘shadowing  effect’.  This  is  of  course  of  minimal  significance  compared  to  the  original  non‐uniform  variation  experienced,  since  these  tiny areas will be of a greater sheet resistance (due to being thinner) and thus will not  experience degradation due to overcharging in comparison to the bulk of the surface  area.  The  amount  of  shadowing  could  be  reduced  if  required  through  the  use  of  thinner disposable slide masks.  In  line  with  the  desired  attributes,  the  efficiency  of  the  process  was  also  assessed  qualitatively,  and  experienced  significant  improvement.  The  time  required  for  the  drum loading and unloading process (for 72 slides) was reduced from a 6 hour, whole‐ day operation (for 2 people) to a 45‐60 minute operation (with just one person). The  process  also  requires  no  expensive  double  sided  carbon  tape,  cleaning  solvents  /  cloths,  or  knives.  It  may  hence  be  concluded  that  with  the  substrate  holders,  the  process becomes commercially viable and scalable; with two drums, one would be able  to be prepare one while the other was pumping to vacuum before deposition, allowing  for continual deposition to be performed with one machine. Sheet resistance was also  found to vary across the drum, and experienced dramatic improvement following use  of the substrate holder assemblies, as shown in table 5f (opposite).   

  Figure 5.9 – Substrate attachment / holder positions across width of the drum  as referred to in table 5.1. 

91     

  Table 5.1 – Comparison of ITO coated microslide properties attached using the  carbon  tape  method  and  designed  substrate  holder  cassette  assemblies.  Substrate positions are clarified by figure 5.9.  Mean average (16 samples) central conductivities of drum  positions (Point ‘C’ – width of drum – Ω/□)  Position  1  2 3 4 5  OLD 20.9  20.7 21 21.6 22.8  NEW 14.7  14.7 14.8 16.5 17.2      Max variation at each position around drum  (16 sample mean – point ‘C’ – single run – Ω/□)  Position  1  2 3 4 5  OLD 3.2  2.6 1.3 2.2 1.9  NEW 0.3