اکسیدهای نیکل ممکن است به صورت‏های گوناگون مانند NiO، NiO2، NiO4 و Ni2O3 وجود داشته ‏باشند ]1[. این اکسیدها به صورت پودرهای سیاه یا سبز رنگ موجود هستند که شکل سیاه آن‏ها از نظر شیمیایی واکنش‏پذیر است در حالی که شکل سبز آن‏ها بی‏اثر و دیرگداز می‏باشد. اکسید مورد نظر ما در این پایان‏نامه NiO می‏باشد که به این اکسید، Green nickel oxide،             Nickel monoxide  و Nickelous oxide هم گفته ‏می‏شود.

NiO کپه‏ای، مقاومت ویژه ونقطۀ ذوب (حدود °C 2000) خیلی بالایی دارد بنابراین می‏تواند در کاربردهای دمای بالا مورد استفاده قرار بگیرد ]1[. NiO یکی از معروف‏ترین مواد الکتروکرومیک[1] بعد از اکسید تنگستن است. به عنوان یک ماده الکتروکرومیک، به سبب بازده الکتروکرومیک ( ) بالا،

برگشت‏پذیری دوره‏ای، پایداری و رنگ‏آمیزی خاکستری که در تکنولوژی پنجره‏های هوشمند مفید است مزایای ویژه‏ای دارد ]2[. NiO یک مادۀ الکتروکرومیک آندی است که می‏تواند در ترکیب با یک مادۀ الکتروکرومیک کاتدی مانند اکسید تنگستن (WO3) استفاده ‏شود ]3[.

 اکسید نیکل بدون آلایش دارای انرژی گاف نواری مستقیم و پهن در گسترۀ eV 0/4-6/3 و چگالی g/cm3 67/6 است. هنگامی که در حضور هوا گرم می‏شود به خاطر تولید تهی‏جاهای Ni2⁺ در ساختار NiO، نیم‏رسانندگی نوعp- نشان می‏دهد ]1[. الکترودهای ساخته شده با ذرات NiO نانو بلورین، نسبت به مواد سرامیکی معمولی ظرفیت بالاتری را نشان می‏دهند. از خواص مغناطیسی اکسید نیکل این است که

 یک مادۀ آنتی‏فرومغناطیس می‏باشد، هنگامی که اندازۀ بلورک از مرتبه چند نانو متر می‏شود، سوپرپارامغناطیس یا سوپرآنتی‏فرومغناطیس می‏شود. در حالت کلی خواص اپتیکی و الکتریکی NiO به استوکیومتری (تناسب عنصری)[2] و همچنین نقایص ساختاری آن بستگی دارند.

NiO یک مدل نیم‏رسانا با رسانندگی حفره (نیم‏رسانای نوع-p) در نظر گرفته می‏شود. تناسب عنصری NiO تقریباً به وسیلۀ رنگ نمونه نشان داده می‏شود. رنگ NiO تا حد زیادی به حضور حالت‏های ظرفیت بالاتر نیکل حساس است. تهی‏جاهای کاتیون نیکل و یا اکسیژن میانین در بلورک‏های NiO منجر به NiOx غیر استوکیومتری می‏شود. NiO استوکیومتری یک عایق با      مقاومت ویژه از مرتبۀ Ω 1013 در دمای اتاق است و تا حد زیادی به اکسید شدن مقاوم است. پایداری شیمیایی بسیار خوب همراه باخواص اپتیکی، الکتریکی و مغناطیسی جالب، NiO را کاندیدای بسیار خوبی برای اسباب الکتروکرومیک می‏سازد ]4[.

NiO به عنوان یک اکسید رسانای شفاف دارای ترکیبی از رسانندگی الکتریکی و شفافیت اپتیکی می‏باشد. محدودیت کوانتومی الکترون‏ها که به وسیلۀ چاه کوانتومی نانو ساختارها ایجاد می‏شود از ابزارهای قوی برای کنترل خواص الکتریکی، اپتیکی، مغناطیسی و ترموالکتریک مواد فعال حالت جامد است. اکسید نیکل به عنوان نوعی مادۀ فعال مهم در طی دهه‏های متوالی مورد تحقیقات گسترده قرار گرفته است. به خاطر اثر حجم، اثر اندازۀ کوانتومی و اثر سطح نانو بلورهای اکسید نیکل، انتظار می‏رود که نسبت به ذرات با اندازۀ میکرونی NiO دارای خواص بهتر و مفیدتری باشند ]5[.

اکسید نیکل در اسیدها و محلول‏های هیدروکسید آمونیوم قابل حل است. در آب گرم و سرد و محلو‏ل‏های سوزان حل نمی‏شود. هنگامی که تا C° 400 گرم می‏شود می‏تواند اکسیژن را جذب کند و به Ni2O3 تبدیل شود. هنگامی که تا C° 600 گرم می‏شود دوباره به NiO تبدیل می‏شود

1-2 ساختار

اکسید نیکل دارای ساختار‏های آمورف و بلورین می‏باشد که بسته به مکانیزم به‏ کار رفته برای رشد و شرایط رشد، انواع مختلفی از ساختار‏های بلورین برای اکسید نیکل شناسایی شده‏اند.

یکی از ساختارهای بلورین اکسید نیکل، ساختار هگزاگونال با ثابت‏های شبکه nm 295/0=a و  nm 723/0=c است ]6[. این ساختار در شکل 1-1 نشان داده شده است.

شکل 1-1: ساختار هگزاگونال

ساختار بلورین دیگر، یک ساختار مکعبی مانند ساختار کلرید سدیم (NaCl) با پارامتر شبکه      Å 195/4=a می‏باشد ]7[ که در شکل 1-2 نشان داده شده است.

شکل 1-2: ساختار مکعبی

1-3 خواص الکتریکی و اپتیکی

خواص الکتریکی فیلم‏های نازک NiO نشان می‏دهد که آن‏ها نیم‏رساناهای نوع-p هستند. مقاومت ویژه این فیلم‏ها می‏تواند با افزایش غلظت حفره کاهش یابد. کاهش مقاومت ویژه به وسیلۀ افزایش تعداد نقص‏های ذاتی مانند تهی‏جاهای نیکل، اکسیژن میانین و یا به وسیلۀ آلایش با یون‏های تک ظرفیت مانند لیتیم می‏تواند به دست آید ]8[. یکی از مهم‏ترین خواص اپتیکی و الکتریکی اکسید نیکل خاصیت الکتروکرومیک آن است که به این خاصیت، خاصیت اپتوالکتریکی هم گفته می‏شود. در همین راستا به معرفی مواد الکتروکرومیک و انواع مواد الکتروکرومیک می‏پردازیم.

1-3-1 مواد الکتروکرومیک

موادی که قادر هستند خواص اپتیکی خود را به عنوان یک پاسخ به محرک خارجی تغییر دهند به عنوان کروموژنیک[3] شناخته می‏شوند. این تغییر در خواص اپتیکی می‏تواند از طریق پرتودهی با نور (مواد فوتوکرومیک[4])، تغییر در دما (مواد ترموکرومیک[5]) و به کار بردن یک ولتاژ الکتریکی (مواد الکتروکرومیک[6]) اتفاق بیفتد ]9[ .

اثر الکتروکرومیک برای نخستین بار در سال 1960 در فیلم‏های نازک اکسیدهای فلزات واسطه مانند WO3 و MoO3 کشف شد. هنگامی که یک اختلاف پتانسیل به دو سر یک مادۀ الکتروکرومیک اعمال می‏شود می‏تواند در جریان اکسایش و کاهش الکتروشیمیایی خواص اپتیکی خود را تغییر دهد. خواص اپتیکی باید برگشت‏پذیر باشند، به این معنی که اگر قطبش ولتاژ تغییر داده ‏شود حالت اولیه باید قابل بازیافت باشد. در فرآیند الکتروکرومیسم[7] یک ماده می‏تواند تحت تأثیر میدان یا جریان الکتریکی اعمال شده تغییر رنگ پایا و برگشت‏پذیر نشان دهد ]10[. از میان مواد الکتروکرومیک آلی و غیر آلی بسیار، اکسیدهای فلزات واسطه بیشتر مطالعه شده‏اند زیرا آن‏ها تغییر قابل توجهی در استوکیومتری نشان می‏دهند ]11[.

1-3-2 انواع مواد الکتروکرومیک

مواد الکتروکرومیک دو نوع هستند: 1- مواد الکتروکرومیک کاتدی که به محض کسب یون یا الکترون تغییر رنگ می‏دهند. 2- مواد الکتروکرومیک آندی که به محض از دست دادن یون یا الکترون تغییر رنگ می‏دهند.

اکسید تنگستن WO3)) یک مادۀ الکتروکرومیک کاتدی است که به محض کسب یون یا الکترون آبی رنگ می‏شود. اکسید نیکل NiO)) یک مادۀ الکتروکرومیک آندی است که به محض از دست دادن یون یا الکترون خاکستری رنگ می‏شود. در صورت معکوس شدن فرآیندها این مواد، شفاف       می‏شوند ]12[.

1-4 کاربرد‏های اکسید نیکل

از جمله کاربردهای NiO می‏توان به موارد زیر اشاره کرد:

نیم‏رسانای نوع-p شفاف ]14-13[، کاتالیزور ]15[، حسگر گازی برای انواع مختلفی از گازها ]16[، الکترود در باطری‏های یون لیتیم ]17[، فیلم‏های الکتروکرومیک ]18[، لایۀ آنتی فرومغناطیس ]19[، سلول‏های خورشیدی ]20[، سوپرخازن‏های الکتروشیمیایی ]23-21[، دستگاه‏های فوتوولتایی ]24[ و پنجره‏های هوشمند ]25[. در این میان به کاربرد NiO در حسگرهای گازی (فصل دوم) و پنجره‏های هوشمند می‏پردازیم.