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科研进展

苏州纳米所AM:基于多彩电致变色技术的新探索—“双面神”电致变色器件

发布日期:2020-03-16 浏(liu)览次数: 【关闭】

电(dian)(dian)致(zhi)变(bian)色(se)(se)是电(dian)(dian)致(zhi)变(bian)色(se)(se)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)光学(xue)属(shu)性(xing)(反射率、透过率等)在(zai)外加电(dian)(dian)场的(de)(de)(de)(de)(de)作用下发生稳定、可逆的(de)(de)(de)(de)(de)变(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)现象(xiang),在(zai)外观上表(biao)现为颜色(se)(se)和透明(ming)度的(de)(de)(de)(de)(de)可逆变(bian)化(hua)。氧(yang)化(hua)钨材(cai)料作为典型的(de)(de)(de)(de)(de)无机电(dian)(dian)致(zhi)变(bian)色(se)(se)材(cai)料,由于其(qi)良好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)热稳定性(xing)和化(hua)学(xue)稳定性(xing),使(shi)其(qi)具(ju)有(you)极(ji)高的(de)(de)(de)(de)(de)商业化(hua)前景(jing)。但单一(yi)颜色(se)(se)变(bian)化(hua)(透明(ming)-蓝色(se)(se)之间切换)难(nan)以满足(zu)一(yi)些场景(jing)对(dui)色(se)(se)彩绚(xuan)丽器件的(de)(de)(de)(de)(de)需求,大大限制其(qi)进一(yi)步应(ying)用推广。因此,探索基(ji)于无机材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)多彩电(dian)(dian)致(zhi)变(bian)色(se)(se)技术(shu)对(dui)电(dian)(dian)致(zhi)变(bian)色(se)(se)领域发展具(ju)有(you)十分重要的(de)(de)(de)(de)(de)意义。

近期(qi),中科院苏州(zhou)纳米所赵志刚研(yan)究员团队基于(yu)前期(qi)对(dui)(dui)于(yu)氧化(hua)钨(wu)材(cai)料多彩电(dian)致(zhi)变(bian)(bian)(bian)色(se)(se)技(ji)术的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(Nat. Commun. 2020, 11, 302;Nano Lett. 2020, 20, 1912-1915),发现这种(zhong)基于(yu)氧化(hua)钨(wu)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)法布(bu)里(li)-珀罗谐振(zhen)(zhen)腔(qiang)结构的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)致(zhi)变(bian)(bian)(bian)色(se)(se)器(qi)(qi)件(jian)可以(yi)实(shi)现丰富的(de)(de)(de)(de)(de)颜色(se)(se)调控。因(yin)此,作(zuo)者在这种(zhong)电(dian)致(zhi)变(bian)(bian)(bian)色(se)(se)器(qi)(qi)件(jian)结构基础上(shang),通过减(jian)薄谐振(zhen)(zhen)腔(qiang)结构中的(de)(de)(de)(de)(de)金属(shu)(shu)层厚(hou)度至4-8 nm,设计了一(yi)(yi)(yi)种(zhong)全(quan)新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)“双(shuang)面神(shen)”结构的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)致(zhi)变(bian)(bian)(bian)色(se)(se)器(qi)(qi)件(jian)(参见(jian)下图1a)。该器(qi)(qi)件(jian)正反两侧(ce)表现出强(qiang)烈的(de)(de)(de)(de)(de)颜色(se)(se)不对(dui)(dui)称性(xing)(图1b),当施(shi)加(jia)电(dian)压进一(yi)(yi)(yi)步调制(zhi)时,其一(yi)(yi)(yi)侧(ce)着(zhe)(zhe)色(se)(se)状态与另一(yi)(yi)(yi)侧(ce)着(zhe)(zhe)色(se)(se)状态明显不同,会产生更(geng)加(jia)丰富的(de)(de)(de)(de)(de)不对(dui)(dui)称颜色(se)(se)变(bian)(bian)(bian)化(hua)(图1c),这与传(chuan)统的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)致(zhi)变(bian)(bian)(bian)色(se)(se)器(qi)(qi)件(jian)所具有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)对(dui)(dui)称颜色(se)(se)变(bian)(bian)(bian)化(hua)特(te)性(xing)有(you)很大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)差别(bie)。这种(zhong)“双(shuang)面神(shen)”效应是利(li)用光(guang)(guang)学(xue)超薄金属(shu)(shu)层的(de)(de)(de)(de)(de)复杂光(guang)(guang)学(xue)常数(shu)(n,k)引起反射光(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)异常相移(yi)来实(shi)现的(de)(de)(de)(de)(de)。进一(yi)(yi)(yi)步地,为了实(shi)现不同特(te)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)不对(dui)(dui)称颜色(se)(se)变(bian)(bian)(bian)化(hua),作(zuo)者选(xuan)择(ze)了不同金属(shu)(shu)层作(zuo)为光(guang)(guang)学(xue)吸收层,如钨(wu)(W),钛(tai)(Ti),铜(Cu),银(Ag)层等,发现金属(shu)(shu)层的(de)(de)(de)(de)(de)折射率(n)越(yue)大(da)、消(xiao)光(guang)(guang)系数(shu)(k)越(yue)大(da),器(qi)(qi)件(jian)颜色(se)(se)不对(dui)(dui)称性(xing)越(yue)强(qiang)。

为了更好(hao)、更有(you)趣地展(zhan)示这(zhei)种新型“双(shuang)面(mian)(mian)神(shen)”多(duo)彩电(dian)致变色(se)(se)(se)技术,作(zuo)者受自然界枯(ku)叶(ye)蝶(die)的(de)(de)启发(fa)(其背(bei)侧(ce)与腹侧(ce)颜(yan)色(se)(se)(se)不(bu)对(dui)称),制作(zuo)了一个(ge)人工枯(ku)叶(ye)蝶(die)器件来展(zhan)示这(zhei)种独特的(de)(de)“双(shuang)面(mian)(mian)神(shen)”特性(图1d)。这(zhei)只人工蝴蝶(die)的(de)(de)背(bei)侧(ce)和腹侧(ce)翅(chi)膀(bang)表面(mian)(mian)呈现(xian)出(chu)不(bu)同的(de)(de)颜(yan)色(se)(se)(se),当它合上(shang)翅(chi)膀(bang)时,腹侧(ce)表现(xian)出(chu)暗淡的(de)(de)棕褐色(se)(se)(se),就像一片干燥的(de)(de)叶(ye)子(zi),可(ke)以帮助躲避捕食者;当它张开翅(chi)膀(bang)时,可(ke)以呈现(xian)出(chu)绚丽(li)的(de)(de)颜(yan)色(se)(se)(se)且可(ke)实现(xian)色(se)(se)(se)彩转变,这(zhei)些(xie)艳丽(li)的(de)(de)颜(yan)色(se)(se)(se)是(shi)繁殖(zhi)期间求(qiu)偶的(de)(de)有(you)效手段(duan)。

图(tu)1. 新(xin)型“双面神”电致(zhi)变色器件结构及不对称颜色展示

该项工作推动了电致(zhi)(zhi)变(bian)色(se)领域目前最先(xian)进(jin)的(de)技(ji)术的(de)边界,对于(yu)推动多彩(cai)电致(zhi)(zhi)变(bian)色(se)技(ji)术进(jin)一(yi)步发(fa)展具有重要的(de)借鉴(jian)意(yi)义(yi),未来的(de)研究将立(li)足于(yu)把(ba)不(bu)对称颜色(se)扩展到红外(wai)光谱(pu)(热辐射),同时为新型电致(zhi)(zhi)变(bian)色(se)器件探索各种新的(de)应用场景。

相关工作以“Mimicking Nature's Butterflies: Electrochromic Devices with Dual‐Sided Differential Colorations”为题发(fa)表于国际(ji)知(zhi)名期刊(kan)Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202007314),本文的第一作者是中(zhong)科(ke)院苏州纳(na)(na)米所博士生陈健(jian),通(tong)讯作者为中(zhong)科(ke)院苏州纳(na)(na)米所研究(jiu)员赵志刚。该研究(jiu)得(de)到了国家自然科(ke)学基(ji)金面(mian)上项(xiang)目(mu)(mu)、中(zhong)科(ke)院青(qing)年(nian)创新促进会(hui)、中(zhong)国科(ke)学院对外合作项(xiang)目(mu)(mu)、江(jiang)苏省六大人才高峰工程及江(jiang)西(xi)省自然科(ke)学基(ji)金重(zhong)点项(xiang)目(mu)(mu)的资助。

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