Defekter og transport i WO3 : En studie av defektstrukturen til WO3 via DFT-modellering og elektrisk karakakterisering

WO3 er en n-leder som er mye studert for den elektrokromiske effekten, der materialet skifter farge ved tilførsel av ioner og elektroner. Mekanismen bak er ikke fullstendig kjent, og det hersker uenighet om høy konsentrasjon av oksygenvakanser er vesentlig for dette, eller om oksygenunderstøkiometri heller gir skjærplan i strukturen. Protonledningsevne er det derimot ikke fokusert på i tidligere arbeider, til tross for at protontilførsel kan bidra til den elektrokromiske effekten. I dette arbeidet er derfor defektstrukturen til WO3 foreslått, utfra en omfattende litteraturstudie, elektrisk karakterisering og DFT-beregninger. Fra modellering av relevante punktdefekter i ulik ladningstilstand ble dannelse av oksygenvakanser og protoner spådd å være mest gunstig, avhengig av temperatur, atmosfære og beregningsmetoder. Defektkonsentrasjoner ved høyere temperaturer og ulike betingelser ble tilpasset fra DFT-resultatene med termodynamisk data. Med hybridfunksjonalberegninger ble det i tillegg funnet at graden av lokaliserte elektrontilstander blir påvirket av vakansposisjoner i strukturen. Ledningsevnemålinger som funksjon av pO2 og temperatur ble utført på tabletter av WO3. Ved 400 ºC ble en pO2-avhengighet på -1/3 observert. Det ble antatt at ledningsevnen her reflekterer elektronkonsentrasjonen, kompensert av delvis ioniserte oksygenvakansclustere, (2v_O)**. Ved høyere temperaturer er avhengigheten mindre, og kan forklares med isolerte oksygenvakanser og elektroner. Ved bytte fra tørr til våt gass skjedde en prosess der ledningsevnen først sank, før den steg til en noe høyere verdi enn den opprinnelige. Dette kan tyde på en delvis hydratisering av materialet, der det først må skje en strukturendring som åpner for hydratisering, eller som er avhengig av treg ionetransport. På bakgrunn av studien kan den elektrokromiske effekten forklares ved at ledningsevnen opprinnelig skjer ved en ikke-aktivert eller kun delvis aktivert mekanisme, mens dannelse oksygenvakanser vil kunne gi mer lokaliserte tilstander. Etter hvert antas det at polarontilstander oppstår, ved tilførsel av elektroner og stabiliserende ioner vil materialet da kunne oppnå en fargeeffekt ved polaronfanging. Skjærplan vil stabilisere dette, da strukturendringen gir med stabile polarontilstander.