Advanced Materials:基于多彩电致变色技术的新探索—“双面神”电致变色器件

电致变色是电致变色材料的光学属性(反射率、透过率等)在外加电场的作用下发生稳定、可逆的变化的现象,在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。氧化钨材料作为典型的无机电致变色材料,由于其良好的热稳定性和化学稳定性,使其具有极高的商业化前景。但单一颜色变化(无色-蓝色之间切换)难以满足一些场景对色彩绚丽器件的需求,大大限制其进一步应用推广。因此,探索基于无机材料的多彩电致变色技术对电致变色领域发展具有十分重要的意义。

近期,中科院苏州纳米所赵志刚研究员团队基于前期对于氧化钨材料多彩电致变色技术的研究(Nat. Commun. 2020, 11, 302;Nano Lett. 2020, 20,1912-1915),发现这种基于氧化钨材料的法布里-珀罗谐振腔结构的电致变色器件可以实现丰富的颜色调控。在这种电致变色器件结构基础上,团队通过减薄谐振腔结构中的金属层厚度至4-8 nm,设计了一种全新的“双面神”结构的电致变色器件(参见下图1a)。该器件正反两侧表现出强烈的颜色不对称性(图1b),当施加电压进一步调制时,其一侧着色状态与另一侧着色状态明显不同,会产生更加丰富的不对称颜色变化(图1c),这与传统的电致变色器件所具有的对称颜色变化特性有很大的差别。这种“双面神”效应是利用光学超薄金属层的复杂光学常数(n,k)引起反射光的异常相移来实现的。进一步地,为了实现不同特性的不对称颜色变化,作者选择了不同金属层作为光学吸收层,如钨(W),钛(Ti),铜(Cu),银(Ag)层等,发现金属层的折射率(n)越大、消光系数(k)越大,器件颜色不对称性越强。

为了更好、更有趣地展示这种新型“双面神”多彩电致变色技术,作者受自然界枯叶蝶的启发(其背侧与腹侧颜色不对称),制作了一个人工枯叶蝶器件来展示这种独特的“双面神”特性(图1d)。这只人工蝴蝶的背侧和腹侧翅膀表面呈现出不同的颜色,当它合上翅膀时,腹侧表现出暗淡的棕褐色,就像一片干燥的叶子,可以帮助躲避捕食者;当它张开翅膀时,可以呈现出绚丽的颜色且可实现色彩转变。

图1. 新型“双面神”电致变色器件结构及不对称颜色展示

该研究工作对新型电致变色器件的设计和构建提供一种全新思路。未来的研究将立足于把这种器件的不对称颜色扩展到红外光谱(热辐射),同时为这种新型电致变色器件探索各种新的应用场景。

相关工作发表于国际知名期刊Advanced Materials,本文的第一作者是中科院苏州纳米所博士生陈健,通讯作者为中科院苏州纳米所研究员赵志刚。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、中科院青年创新促进会、中国科学院对外合作项目、江苏省六大人才高峰工程及江西省自然科学基金重点项目的资助。

论文信息:

Mimicking Nature’s Butterflies: Electrochromic Devices with Dual‐Sided Differential Colorations

Jian Chen, Zhen Wang, Chenglong Liu, Zhigang Chen, Xueqing Tang, Qi Wu, Shu Zhang, Ge Song, Shan Cong, Qin Chen, Zhigang Zhao

Advanced Materials

DOI:10.1002/adma.202007314