金平实研究员、曹逊研究员团队在电致变色研究方面取得进展

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电致变色是指材料的光学性质（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。利用电致变色材料制备的电致变色器件可广泛应用于节能窗和显示领域。尤其是在显示领域，响应速度慢严重制约了其应用于电子器件。
　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所金平实研究员、曹逊研究员团队与孙宜阳特聘研究员、上海大学罗宏杰教授、澳大利亚昆士兰科技大学John Bell教授以及中建材蚌埠玻璃工业设计研究院合作，从实验和理论两个维度，首次提出利用质子中继式传输在WO3电致变色材料中实现了高着/褪色比的快速切换，并成功制备出超快响应的全固态电致变色器件，突破了响应速度慢导致的应用局限，拓展了应用领域。该工作将器件的响应时间降低至1s以下（0.7s），显著降低了作为电子器件的功耗，进一步推动低功耗稳态显示器件的应用进程。相关研究成果以“All-Solid-State Proton-Based Tandem Structures for Fast-Switching Electrochromic Devices”为标题发表在《自然-电子学》（Nature Electronics）。论文共同第一作者是上海硅酸盐所光热调控智能材料课题组博士生邵泽伟、黄爱彬博士和上海硅酸盐所集成计算材料研究中心明辰博士，通讯作者是上海硅酸盐所光热调控智能材料课题组曹逊研究员、上海硅酸盐所集成计算材料研究中心孙宜阳研究员和上海大学罗宏杰教授。

图1 中继式质子传输电致变色器件结构示意图

图2 新型电致变色器件的性能表征结果

图3 新型电致变色器件的大面积和柔性制备

　　氧化钨（WO3）因其优异的性能而成为目前应用最广泛的电致变色材料。WO3的电致变色过程主要是基于W元素的可逆变价以及阳离子（H+, Li+, Na+,Al3+等）的可逆嵌入和脱出来实现。其中，嵌入和脱出阳离子是影响材料着色速度和循环稳定性的关键因素。在众多阳离子中，质子（H+）相比于其他阳离子具有更小的离子半径和更快的迁移速度（如图1a所示），在电致变色嵌入和脱出过程中具有明显优势。但是，质子往往存在于液体电解质中而无法很好集成在固态电致变色器件中。研究发现，一些固态有机聚合物如PEDOT:PSS等可以在电场作用下实现质子的快速迁移。基于该发现，研究人员首次引入可实现氢离子快速迁移的有机物（PEDOT:PSS）作为固态质子源，并与WO3电致变色层复合设计串联结构的电致变色层，研究发现在5/8 s的短脉冲刺激下仍能有效着/褪色（如图1b所示）。然而这种着/褪色的过程受限于有限的质子供应，其变化仅为约15%，还不能体现器件的全部性能。基于此，研究人员又进一步提出插入一层Na+离子源，促进H+高效释放（如图1c所示）。电压驱动下Na+进入PEDOT:PSS层，着色程度显著加深。第一性原理计算也为上述质子中继式迁移机制提供了理论证据。
　　研究人员进一步制备了全固态电致变色器件并评估综合性能，发现基于该结构的电致变色器件在着色过程中具有高对比度（在650 nm处达到90%）、超快的响应速度（0.7 s内着色至90%，0.9 s内褪色至65%，7.1 s内褪色至90%）、良好的着色效率（在670 nm处达到109 cm2 C-1）和出色的循环稳定性（3,000次循环后，着褪色对比度降低小于10%）。此外，研究人员还将该设计方案拓展至大面积全固态电致变色器件（30×40 cm2）和柔性器件（10×10 cm2）。
　　该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、ANSO国际合作专项、中科院青年创新促进会和上海市科委等项目的资助和支持。
　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00697-4.

        文章来源：上海硅酸盐所
        金平实，工业陶瓷研究中心主任。1955年生于中国四川省。1981年毕业于西北轻工业学院。1986年国家教委公派留日，1992年获日本名古屋工业大学电及计算机工程学博士，同年进入日本通产省工业技术院(AIST)任主任研究官，1998年任终身教授级主任研究官。曾兼任瑞典林雪平大学物理系客座研究员，日本爱知工业大学研究生院客座教授，中科院广州能源研究所特聘首席科学家等。先后发表各类论文170余篇，著书3部，申请国外专利33项，获授权11项，受邀国际学术会议报告十余次。
       曹逊，上海硅酸盐所副研究员。近五年来，以第一/通讯作者在Nano Energy, NPG Asia Mater., Laser Photonics & Rev., J. Mater. Chem. A/C（2篇）, Nanoscale, ACS Appl. Mater. Inter.（4篇）, Sol. Eng. Mater. & Sol. Cells（4篇）, Appl. Phys. Lett.（2篇）等国际核心期刊上发表论文25篇，，单篇最高他引106次，国际会议邀请报告6次，受邀参与编写英文专著3部，以第一/主要发明人累计申请专利23项，已获授权5项，以负责人身份承担项目十余项，累计获得经费支持1000多万元，指导/协助指导研究生8名，其中获得国家奖学金3人次，获得严东生奖学金2人次，获得BHPB奖学金1人次。