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蘇州納米所AM:基于多彩電致變色技術的新探索——“雙面神”電致變色器件

  電致變色是電致變色材料的光學屬性(反射率、透過率等)在外加電場的作用下發生穩定、可逆的變化的現象,在外觀上表現為顏色和透明度的可逆變化。氧化鎢材料作為典型的無機電致變色材料,由于其良好的熱穩定性和化學穩定性,使其具有極高的商業化前景。但單一顏色變化(無色-藍色之間切換)難以滿足一些場景對色彩絢麗器件的需求,大大限制其進一步應用推廣。因此,探索基于無機材料的多彩電致變色技術對電致變色領域發展具有十分重要的意義。 

  近期,中科院蘇州納米所趙志剛研究員團隊基于前期對于氧化鎢材料多彩電致變色技術的研究(Nat. Commun. 2020, 11, 302;Nano Lett. 2020, 20, 1912-1915),發現這種基于氧化鎢材料的法布里-珀羅諧振腔結構的電致變色器件可以實現豐富的顏色調控。在這種電致變色器件結構基礎上,團隊通過減薄諧振腔結構中的金屬層厚度至4-8 nm,設計了一種全新的“雙面神”結構的電致變色器件(參見下圖1a)。該器件正反兩側表現出強烈的顏色不對稱性(圖1b),當施加電壓進一步調制時,其一側著色狀態與另一側著色狀態明顯不同,會產生更加豐富的不對稱顏色變化(圖1c),這與傳統的電致變色器件所具有的對稱顏色變化特性有很大的差別。這種“雙面神”效應是利用光學超薄金屬層的復雜光學常數n,k)引起反射光的異常相移來實現的。進一步地,為了實現不同特性的不對稱顏色變化,作者選擇了不同金屬層作為光學吸收層,如鎢(W),鈦(Ti),銅(Cu),銀(Ag)層等,發現金屬層的折射n越大、消光系數k越大,器件顏色不對稱性越強。 

  為了更好、有趣地展示這新型“雙面神”多彩電致變色技術,作者受自然界枯葉蝶啟發(其背側與腹側顏色不對稱,制作了一個人工枯葉蝶器件來展示這種獨特的“雙面神”特性(圖1d)。這只人工蝴蝶的背側和腹側翅膀表面呈現出不同的顏色,當它合上翅膀時,腹側表現出暗淡的棕褐色,就像一片干燥的葉子,可以幫助躲避捕食者;當它張開翅膀時,可以呈現出絢麗的顏色且可實現色彩轉變。 

         1. 新型“雙面神”電致變色器件結構及不對稱顏色展示 

  該研究工作對新型電致變色器件的設計和構建提供一種全新思路。未來的研究將立足于把這種器件的不對稱顏色擴展到紅外光譜(熱輻射),同時這種新型電致變色器件探索各種新的應用場景。 

  相關工作以Mimicking Nature's Butterflies: Electrochromic Devices with Dual‐Sided Differential Colorations”為題發表于國際知名期刊Advanced Materials DOI10.1002/adma.202007314,本文的第一作者是中科院蘇州納米所博士生陳健,通訊作者為中科院蘇州納米所研究員趙志剛。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、中科院青年創新促進會、中國科學院對外合作項目、江蘇省六大人才高峰工程及江西省自然科學基金重點項目的資助。 


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