方岱宁：设计制备基于硅负极的仿生变色器件

jiyin

2018 年11月17日，著名材料学期刊 《先进功能材料》 （Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.）在线报道了北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁院士，陈浩森副教授，和宋维力副教授合作领导研究的一种全新的基于电化学精确控制的，硅基电化学-力学-光学耦合仿生变色器件。该项研究基于全新的电化学-力学耦合变色调控机理，实现了可见光宽频段精确调控，并具有独特的彩色/银色切换功能。

近年来，具有精确调控宽频带显色材料和器件吸引了越来越多研究人员的关注。仿生结构变色材料在伪装工程，信号通讯，以及热控领域展示出了广泛的应用前景。目前，大多数的仿生结构变色材料需要复杂的制备工艺，特定多种材料的融合，其调控范围仅针对可见光的特定频段区间，甚至有些仿生结构变色器件往往是预先设计的，难以实现自主变色调控功能。

图1 通过模拟章鱼皮肤变色机理设计电化学精确调控变色硅膜

大自然中有多种能够自适应变色伪装的生物，以章鱼为例，当外界环境发生改变时，章鱼能够通过主动调控皮肤细胞中蛋白质的体积来改变光在不同界面的相位差，从而实现皮肤变色。方岱宁课题组通过设计具有稳定可逆膨胀的硅膜电极，模仿章鱼皮肤变色机理，巧妙地利用嵌锂电位（<1 V），精确控制锂离子在硅薄膜中的脱嵌行为，实现硅膜的高精度体积变化调控，改变硅膜结构对光线反射产生干涉消光条件，获得一系列绚丽色彩。值得一提的是，调控硅薄膜中的嵌锂程度，可以实现关闭或开启光线干扰作用，器件可以实现彩色至银色的切换功能。

该团队通过实验和理论模拟进一步研究了该仿生变色器件中的电化学力学耦合变色机理。采用椭偏仪测试了其不同锂化程度下的纳米硅薄膜的光学常数（折射率和消光系数），以及相对应的纳米硅薄膜的厚度，验证了锂化纳米硅薄膜的化学演化过程。通过建立光学理论模型，预测出不同嵌锂程度下的器件反射率，其预测结果和实验测试吻合，进一步验证了该仿生变色器件的调控机理。

该仿生结构变色器件具有很强的设计应用前景，改变硅薄膜的初始厚度和导电集流体颜色，可以任意定制所需要的颜色调控范围。通过光刻技术，可以定制各种显色图案。并且，该变色系统和硅基锂离子电池具有良好的兼容性，在硅基锂离子电池的可视化实时监控中也有巨大的应用前景。

该项研究成果首次报道了纳米硅薄膜在嵌锂过程中的变色现象，揭示了其中的电化学力学耦合变色机理，设计制备了基于硅负极的仿生变色器件，为今后的仿生结构变色材料的研究开辟了一个全新的方向。该课题组研究人员认为，进一步优化变色薄膜的结构，可以实现更高稳定性的仿生结构变色器件。同时独特的电化学力学调控变色机理具有极强的普适性，可以适用于具有脱嵌锂体积收缩膨胀效应的其他材料。

北京理工大学方岱宁院士、陈浩森副教授、宋维力副教授为本文的共同通讯作者。北京大学博士生鲍垠桦、北京理工大学硕士生韩雨为本文的共同第一作者。参与该工作的还有北京理工大学陈人杰教授，美国华盛顿大学的Alex K.Y. Jen教授，美国马里兰大学李腾教授，香港城市大学罗敬东教授。此外，特别感谢北京理工大钟海政教授的讨论和帮助。

附团队介绍：

方岱宁，教授，博士生导师，中国科学院院士，先进结构技术研究院名誉院长兼首席科学家。主要从事力电磁热多场耦合作用下先进材料与结构的力学理论、计算与实验方法研究。拓展了铁电/铁磁材料宏微观变形与断裂理论，在有限元分析与器件设计中获得应用；发展了轻质多功能复合材料力电磁热多场多尺度计算力学方法与设计制备方法，并将所制备的轻质多功能材料与结构应用于国防装备建设；发展了先进材料力电磁热多场多轴加载和测试技术与实验方法，将基础研究成果转化为十余种具有自主知识产权的科学仪器，并获得推广应用。方岱宁院士团队能源电池小组成立于2015年，由先进结构技术研究院陈浩森副教授与宋维力副教授共同负责，主要从事力化电热多场耦合环境下的能源电池电极材料与结构的设计、制备、表征与仪器研制，成立3年以来，已经在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials、Mechanics of materials, ACS Nano, Energy Storage Materials, J Power Source等国际顶级期刊上发表高水平论文20多篇。