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      English  |  上海硅酸鹽所  |  中國科學院  
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    上海硅酸鹽所在電致變色研究方面取得進展
    發布時間:2022-06-10

      電致變色是指材料的光學性質(反射率、透過率、吸收率等)在外加電場的作用下發生穩定、可逆的顏色變化的現象,在外觀上表現為顏色和透明度的可逆變化。利用電致變色材料制備的電致變色器件可廣泛應用于節能窗和顯示領域。尤其是在顯示領域,響應速度慢嚴重制約了其應用于電子器件。 

      近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所金平實研究員、曹遜研究員團隊與孫宜陽特聘研究員、上海大學羅宏杰教授、澳大利亞昆士蘭科技大學John Bell教授以及中建材蚌埠玻璃工業設計研究院合作,從實驗和理論兩個維度,首次提出利用質子中繼式傳輸在WO3電致變色材料中實現了高著/褪色比的快速切換,并成功制備出超快響應的全固態電致變色器件,突破了響應速度慢導致的應用局限,拓展了應用領域。該工作將器件的響應時間降低至1s以下(0.7s),顯著降低了作為電子器件的功耗,進一步推動低功耗穩態顯示器件的應用進程。相關研究成果以“All-Solid-State Proton-Based Tandem Structures for Fast-Switching Electrochromic Devices”為標題發表在《自然-電子學》(Nature Electronics)。論文共同第一作者是上海硅酸鹽所光熱調控智能材料課題組博士生邵澤偉、黃愛彬博士和上海硅酸鹽所集成計算材料研究中心明辰博士,通訊作者是上海硅酸鹽所光熱調控智能材料課題組曹遜研究員、上海硅酸鹽所集成計算材料研究中心孫宜陽研究員和上海大學羅宏杰教授。 

      氧化鎢(WO3)因其優異的性能而成為目前應用最廣泛的電致變色材料。WO3的電致變色過程主要是基于W元素的可逆變價以及陽離子(H+, Li+, Na+,Al3+等)的可逆嵌入和脫出來實現。其中,嵌入和脫出陽離子是影響材料著色速度和循環穩定性的關鍵因素。在眾多陽離子中,質子(H+)相比于其他陽離子具有更小的離子半徑和更快的遷移速度(如圖1a所示),在電致變色嵌入和脫出過程中具有明顯優勢。但是,質子往往存在于液體電解質中而無法很好集成在固態電致變色器件中。研究發現,一些固態有機聚合物如PEDOT:PSS等可以在電場作用下實現質子的快速遷移?;谠摪l現,研究人員首次引入可實現氫離子快速遷移的有機物(PEDOT:PSS)作為固態質子源,并與WO3電致變色層復合設計串聯結構的電致變色層,研究發現在5/8 s的短脈沖刺激下仍能有效著/褪色(如圖1b所示)。然而這種著/褪色的過程受限于有限的質子供應,其變化僅為約15%,還不能體現器件的全部性能?;诖?,研究人員又進一步提出插入一層Na+離子源,促進H+高效釋放(如圖1c所示)。電壓驅動下Na+進入PEDOT:PSS層,著色程度顯著加深。第一性原理計算也為上述質子中繼式遷移機制提供了理論證據。 

      研究人員進一步制備了全固態電致變色器件并評估綜合性能,發現基于該結構的電致變色器件在著色過程中具有高對比度(在650 nm處達到90%)、超快的響應速度(0.7 s內著色至90%,0.9 s內褪色至65%,7.1 s內褪色至90%)、良好的著色效率(在670 nm處達到109 cm2 C-1)和出色的循環穩定性(3,000次循環后,著褪色對比度降低小于10%)。此外,研究人員還將該設計方案拓展至大面積全固態電致變色器件(30×40 cm2)和柔性器件(10×10 cm2)。 

      該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、ANSO國際合作專項、中科院青年創新促進會和上海市科委等項目的資助和支持。 

      論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41928-021-00697-4. 

    1 中繼式質子傳輸電致變色器件結構示意圖

    2 新型電致變色器件的性能表征結果

    3 新型電致變色器件的大面積和柔性制備

     
     
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