动态调控多色电致变色薄膜

贵金属纳米粒子独特的局域表面等离子基元共振性质在光电器件、传感器等诸多领域具有广阔的应用空间,其光学性质可以通过改变纳米材料尺寸、形貌、组成及颗粒间的耦合来调控。近年来,贵金属纳米粒子的智能化、可逆、动态光学调控为新型光学器件的开发提供了新契机。目前实现其可逆动态化调节主要有两种途径:(1) 组装与分离 利用相邻纳米颗粒之间的耦合作用,通过外界刺激诸如压力、磁场、pH、温度等,使纳米颗粒之间发生组装或分离,改变颗粒间耦合强度。(2) 氧化与还原 通过可逆的方式控制氧化还原反应,使原子在贵金属纳米颗粒表面溶解/沉积,改变纳米颗粒的形貌及化学组成。虽然这些方法均已实现了贵金属纳米材料的动态调控,但在智能光学器件上尚未应用,其存在的主要问题是:一方面多数研究对象为胶体粒子,无法转移到薄膜或器件中实现;另一方面,虽然颜色可以变化但透过率无法调节;同时,可逆循环稳定性不佳。

近日,哈尔滨工业大学李垚、李娜课题组与加州大学河滨分校殷亚东(Yadong Yin)教授课题组共同合作,提出了一种基于贵金属表面等离子基元共振特性的多色、动态、可调控电致变色薄膜。在导电玻璃ITO表面通过控制电场方向,实现了银原子的氧化(溶解)/还原(沉积),薄膜相应表现为褪色态/着色态;通过对电场强度的调控,可以在几秒内使薄膜在不同颜色间切换。这种薄膜不仅颜色、透过率均可调控,同时拥有优异的可逆循环稳定性。此工作的独特之处在于预先设计在ITO表面的一种中空的金/银(Au/Ag)合金纳米结构,它可以像锚点一样为银原子的沉积进行定位,避免了在反复的着色/褪色过程中银原子杂乱无章的自成核沉积造成的薄膜循环性能下降,提高了薄膜的可逆循环性;此外,由于这种中空合金纳米颗粒的吸收峰在近红外,在褪色态时可见光范围内无吸收峰,随着银原子的沉积(即薄膜着色过程),其响应峰由近红外移动至可见光,通过控制银原子的沉积量,薄膜颜色及透过率均可调节。由于此种薄膜可通过电场的方式对光学性质进行快速和精确的控制,其有望在低能耗显示器,多色智能窗以及光电器件等领域有较为广阔的应用。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201804974)上。