光致变色是辐射变色中的一种形式，它是通过紫外光辐射，使三氧化钨产生着色，着色态在停止UV辐射，氧化环境下会逐渐退色的可逆过程。影响三氧化钨薄膜的光致变色行为因素很多，如薄膜的密度、厚度，辐照UV的波长和频率以及在变色过程中周围的环境气氛等等。
基本介绍
- 中文名：氧化钨光致变色薄膜
- 外文名：Tungsten Oxide Photochromic Thin Film
定义
在外界激发源的作用下，一种物质或一个体系发生颜色明显变化的现象称为变色性。光致变色是指一种化合物A受到一定波长的光照射时，可发生光化学反应得到产物B，A和B的颜色（即对光的吸收）明显不同。B在另外一束光的照射下或经加热又可恢复到原来的形式A。光致变色是一种可逆的化学反应，这是一个重要的判断标準。在光作用下发生的不可逆反应，也可导致颜色的变化，只属于一般的光化学範畴，而不属于光致变色範畴。
三氧化钨薄膜光致变色是与光激发产生的电子-空穴对紧密相连的，而电子-空穴可以将三氧化钨中的水分解成相当可观的数量。形成的质子和亚稳态的氧基，若新生的氧基被及时捕获，如氧空位，就避免这个反应的反向过程，增加介稳态的质子和电子的产生，而这些是形成色心的基础。质子和光激发的电子最终导致了有色的钨青铜型结构，氧占据了三氧化钨内的空位位置，或以分子的形式逃逸到周围的空气中。由于三氧化钨薄膜高的带隙3.25eV，限定了光激发产生电子、空穴对和随后的变色过程在近紫外区域。
研究现状
氧化钨是一种良好的光致变色材料，从1973年首次报导了无定型氧化钨膜的光致变色现象便受到了广泛的关注和研究。1980年Gerard等在前人的基础上首先以真空蒸镀法，通过改变真空度製备了HXWO3-Y膜。后来又改用溅射法，在Ar-O2(製备纯的亚化学计量膜)，Ar-O2-H2和Ar-O2-H2O(改变WO3氢氧组成)三种同反应气氛下溅射。製备了HXWO3-Y膜。但是由于真空蒸镀法和溅射法的设备昂贵，工艺複杂，且无法製备複杂分子结构膜和有序膜，难以控制膜厚和粒径，更重要的是它们都不易于大面积生产很难被广泛套用。后来又发明了许多方法用于製备氧化钨，如电子束蒸发沉澱法、电沉积法、喷雾热解法、溶胶-凝胶法等。其中溶胶-凝胶法因具有可製备不同晶型、不同緻密程度材料，易控制产物的组成和粒径，易于大面积生产均匀薄膜等优点，而被大多的研究者採用并且继续发展。
影响因素
影响氧化钨光致变色的因素很多，除了本身的结构和组成因素外，所处的气氛也将影响其变色性能。从氧化钨的内部结构来看，氧化钨的结构有很多种。从比较稳定的三斜、单斜到立方、四方很不稳定的六方青铜、焦绿石相，但是目前研究最多的是无定型（a-WO3）或多晶（c-WO3）膜的光致变色性能。经过研究发现a-WO3较c-WO3有很好的光致变色性能，主要是因为c-WO3具有晶格缺陷或者比表面积小等。上述所说的内因是决定物质性质的主要原因，而外因对与氧化钨光致变色的影响也不容小觑，尤其是不同气氛对其的影响。从着色角度上看，一些含氢或羟基的有机物蒸气有利与提高氧化钨的变色反应速度和吸收强度。对于脱色方面受到氧化性气体的影响较大，如O3、H2O2和FE2(SO4)3等。这些影响因素对提高氧化钨光致变色的效能有很大的帮助，也有利于製作性能更加良好的光致变色材料。
套用
光学记录和图像存储
利用光致变色化合物受不同强度和波长光照射时可反覆循环变色的特点，可以将其製成计算机的记忆存储元件，实现信息的记忆与消除过程。其记录信息的密度非常大，而且抗疲劳性能好，能快速写入和擦除信息。非晶态的 WO3在被 KrF 受激準分子雷射器产生的波长为 248 nm 的雷射照射下会变成紫色，再被Nd-Y-Al 石榴石雷射器产生的波长为 1.06 μm 的雷射照射又可以变成无色。研究还发现，利用 WO3在退火过程中光学特性发生变化的特性製作的一次性写入式光学记录盘，其数据最大存储密度可达 25 GB。此外 WO3在紫外光照射下变蓝的光敏特性可用于自显影全息记录照相。在透明胶片上涂上一层很薄的WO3薄膜，其对可见光不感光，在紫外光的照射下变成有色影像。这种成像方法解析度高，不会发生操作误差，而且影像可以反覆录製和消除。
利用光致变色化合物受不同强度和波长光照射时可反覆循环变色的特点，可以将其製成计算机的记忆存储元件，实现信息的记忆与消除过程。其记录信息的密度非常大，而且抗疲劳性能好，能快速写入和擦除信息。非晶态的 WO3在被 KrF 受激準分子雷射器产生的波长为 248 nm 的雷射照射下会变成紫色，再被Nd-Y-Al 石榴石雷射器产生的波长为 1.06 μm 的雷射照射又可以变成无色。研究还发现，利用 WO3在退火过程中光学特性发生变化的特性製作的一次性写入式光学记录盘，其数据最大存储密度可达 25 GB。此外 WO3在紫外光照射下变蓝的光敏特性可用于自显影全息记录照相。在透明胶片上涂上一层很薄的WO3薄膜，其对可见光不感光，在紫外光的照射下变成有色影像。这种成像方法解析度高，不会发生操作误差，而且影像可以反覆录製和消除。
光学禁频宽度可调的光子晶体
光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列形成的人工结构。与普通晶体一样，光子晶体的周期排列具有能带结构，光子能带之间可能存在光子带隙或光子禁带。光子带隙或禁带是指一个频率範围，在这个频率範围里的电磁波不能在这个光子晶体里传播，而频率位于能带里的电磁波则能在光子晶体里几乎无损地传播。带隙的宽度和位置与光子晶体的介电常数比值有关係。WO3在光的照射下或电场的作用下其介电常数可以大範围连续改变，因此用氧化钨在聚苯乙烯模板上製作的反蛋白石结构的光子晶体可以更加有效的调控光路。
光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列形成的人工结构。与普通晶体一样，光子晶体的周期排列具有能带结构，光子能带之间可能存在光子带隙或光子禁带。光子带隙或禁带是指一个频率範围，在这个频率範围里的电磁波不能在这个光子晶体里传播，而频率位于能带里的电磁波则能在光子晶体里几乎无损地传播。带隙的宽度和位置与光子晶体的介电常数比值有关係。WO3在光的照射下或电场的作用下其介电常数可以大範围连续改变，因此用氧化钨在聚苯乙烯模板上製作的反蛋白石结构的光子晶体可以更加有效的调控光路。
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池(DSSC)是指以染料敏化多孔纳米结构薄膜为光阳极，根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件。光电转换效率和作为光阳极薄膜的禁频宽度有很大关係，一般选取禁频宽度为 3.2 eV 的 TiO2作为光阳极薄膜。WO3具有跟 TiO2类似的能带结构，只是其禁频宽度相对较小，但是染料敏化氧化钨太阳能电池产生的电能足以驱动利用氧化钨电致变色薄膜变色特性製作的智慧型窗、显示器等电致变色装置。而且这样同时利用氧化钨的光致变色-电致变色特性的装置在结构上相对简单，绿色环保。
染料敏化太阳能电池(DSSC)是指以染料敏化多孔纳米结构薄膜为光阳极，根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件。光电转换效率和作为光阳极薄膜的禁频宽度有很大关係，一般选取禁频宽度为 3.2 eV 的 TiO2作为光阳极薄膜。WO3具有跟 TiO2类似的能带结构，只是其禁频宽度相对较小，但是染料敏化氧化钨太阳能电池产生的电能足以驱动利用氧化钨电致变色薄膜变色特性製作的智慧型窗、显示器等电致变色装置。而且这样同时利用氧化钨的光致变色-电致变色特性的装置在结构上相对简单，绿色环保。