電致變色是指材料的光學性質（反射率、透過率、吸收率等）在外加電場的作用下發生穩定、可逆的顏色變化的現象，在外觀上表現為顏色和透明度的可逆變化。利用電致變色材料製備的電致變色器件可廣泛應用於節能窗和顯示領域。尤其是在顯示領域，響應速度慢嚴重製約了其應用於電子器件。
中國科學院上海矽酸鹽研究所曹遜研究員團隊與孫宜陽研究員、上海大學羅宏傑教授、澳大利亞昆士蘭科技大學John Bell教授以及中建材蚌埠玻璃工業設計研究院合作，從實驗和理論兩個維度，首次提出利用質子中繼式傳輸在WO3電致變色材料中實現了高著/褪色比的快速切換，併成功製備出超快響應的全固態電致變色器件，突破了響應速度慢導致的應用侷限，拓展了應用領域。
圖1：中繼式質子傳輸電致變色器件結構示意圖
氧化鎢（WO3）因其優異的效能是目前應用最廣泛的電致變色材料。WO3的電致變色過程主要是基於W元素的可逆變價以及陽離子（H+, Li+,Na+, Al3+等）的可逆嵌入和脫出來實現。其中，嵌入和脫出陽離子是影響材料著色速度和迴圈穩定性的關鍵因素。在眾多陽離子中，質子（H+）相比於其他陽離子具有更小的離子半徑和更快的遷移速度（如圖1a所示），在電致變色的嵌入和脫出過程中具有明顯優勢。但是，質子往往存在於液體電解質中而無法很好整合在固態電致變色器件中。研究發現，一些固態有機聚合物如PEDOT:PSS等可以在電場作用下實現質子的快速遷移。基於這個發現，研究人員首次引入可實現質子快速遷移的有機物（PEDOT:PSS）作為固態質子源，並與WO3電致變色層複合設計串聯結構的電致變色層，研究發現在5/8 s的短脈衝刺激下仍能有效著/褪色（如圖1b所示）。然而這種著/褪色的過程受限於有限的質子供應，其變化僅為約15%，還不能體現器件的全部效能。基於此，研究人員又進一步提出插入一層Na+離子源，促進H+高效釋放（如圖1c所示）。電壓驅動下Na+進入PEDOT:PSS層，著色程度顯著加深。第一性原理計算也為上述質子中繼式遷移機制提供了理論證據。
研究人員進一步製備了全固態電致變色器件並評估綜合性能，發現基於該結構的電致變色器件在著色過程中具有高對比度（在650 nm處達到90%）、超快的響應速度（0.7 s內著色至 90%，0.9 s內褪色至65%，7.1 s內褪色至 90%）、良好的著色效率（在670 nm處達到109 cm2 C-1）和出色的迴圈穩定性（3,000次迴圈後，著褪色對比度降低小於10%）。此外，研究人員還將該設計方案拓展至大面積全固態電致變色器件（30×40 cm2）和柔性器件（10×10 cm2）。
圖2：新型電致變色器件的效能表徵結果
圖3：大面積和柔性電致變色器件的製備
2022年1月25日研究成果以“All-Solid-State Proton-Based Tandem Structures for Fast-Switching Electrochromic Devices”為標題發表在 Nature Electronics。該論文由曹遜研究員團隊主導來完成，文章的共同第一作者是上海矽酸鹽研究所光熱調控智慧材料課題組博士生邵澤偉、黃愛彬博士和上海矽酸鹽研究所計算材料中心明辰博士，通訊作者是上海矽酸鹽研究所光熱調控智慧材料課題組曹遜研究員、上海矽酸鹽研究所計算材料中心孫宜陽研究員和上海大學羅宏傑教授。該研究工作得到了國家自然科學基金（62175248、51972328）、ANSO國際合作專項（ANSO-CR-KP-2021-01）、中科院青年創新促進會（2018288）和上海市國際合作專案（21520712500）等專案的資助和支援。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00697-4
