电致变色 (EC) 材料是可持续性和节能的关键“绿色”技术组件之一，引起了学术界和工业界的兴趣。氧化钨 (WO3) 是研究最广泛的 EC 材料之一，广泛用于当今的“智能窗户”。一种流行的 EC 方法是将小离子可逆地插入电极材料中。因此，通过在低压偏压下调节锂离子 (Li+) 插入，WO3薄膜可以将其颜色从透明变为深蓝色。由于低压操作有利于多种应用，Li+嵌入的 WO3(LixWO3) 是 EC 设备应用的可行选择。
然而，Li+插入并不总是可逆的。几个循环后，这些离子聚集在薄膜中并侵蚀电致变色效应。这反过来又会影响光调制和长期耐用性，这两者对于 EC 设备的实际部署都是必不可少的。插入导致可逆的Li+、不可逆的Li2WO4形成和不可逆的Li+捕获。“Li2WO4 的不可逆形成”会降低电致变色性，并且“捕获”在深层位置的Li+使离子无法移动，从而导致不可逆性。从本质上讲，评估两种不可逆性的影响至关重要。
在最近发表在《应用表面科学》上的一项研究中(于 2021 年 8 月 13 日在线发布，并将于 2021 年 12 月 1 日发表在期刊第 568 卷)中，东京理科大学和国立材料科学研究所 (NIMS) 的科学家，合作定量评估 LixWO3薄膜的不可逆性。在讨论该研究解决的关键问题时，负责该研究的东京理科大学 Tohru Higuchi 副教授指出：“出现了两个关键问题：首先，不可逆的 Li2WO4形成与不可逆的 Li+不同吗?诱捕?其次，这些不可逆成分能否共存?”他补充说，“常规措施无法区分这两种不可逆成分。因此，我们进行了定量检查，为这些问题提供可靠的答案。”
科学家们设计了一种结合原位硬 X 射线光电子能谱 (HAXPES) 和电化学测量的定量评估方法。HAXPES 用于研究掩埋界面，而电化学测试用于检查腐蚀特性。Li+的嵌入导致氧化还原反应，将钨 (W) 离子的氧化态从 W6+ 改变为 W5+。基于这种变化，HAXPES可以评估“可逆Li+”和“不可逆Li+诱捕”。然而，评价“不可逆Li2WO4使用 HAXPES 形成”是具有挑战性的。NIMS 的首席研究员、该研究的合著者 Takashi Tsuchiya 博士解释了原因：“Li2WO4 中的W 离子具有稳定的氧化态，因为它们以 W6+形式存在。因此，HAXPES 无法评估由 Li2WO4形成引起的不可逆性。相反，电化学测量可以将“可逆 Li+”与两种不可逆成分区分开来。因此，整合这两种方法可以对所有三个组成部分进行区分和定量评估。”
为了进行电化学测量，科学家们在锂离子导电玻璃陶瓷 (LICGC) 的平坦表面上构建了一个基于LixWO3的氧化还原晶体管。他们还构建了一个以 WO3薄膜为半导体、以 LICGC 基板为电解质的电化学电池，以进行 HAXPES 测量。此外，他们采用原位拉曼光谱来评估 Li+插入对 LixWO3结构的影响。他们能够成功地确定由 Li+插入引起的结晶度增加。可逆Li+、不可逆Li2WO4的比例形成和不可逆的 Li+俘获分别计算为 41.4%、50.9% 和 7.7%。
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