近日，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，開發兼具快響應速度和高著/褪色對比度的電致變色器件。研究成果以All-solid-state proton-based tandem structures for fast-switching electrochromic devices為題，於2022年1月24日發表於Nature Electronic上。
曹遜研究員告訴果殼硬科技：“我們研究團隊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，大大拓展了應用領域。”
大面積和柔性電致變色器件的製備 | 邵澤偉供圖
全固態電致變色器件的工作原理是透過對器件施加電壓來調節太陽輻射的透射率，可用於製造智慧窗戶。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。該工作在提升器件著/褪色對比度的同時將器件的響應時間降低至1 s以下（0.7 s），顯著降低了作為電子器件的功耗，進一步接近顯示器件的重新整理頻率，加速其應用程序。
“電致變色核心的應用場景，除了建築、汽車等的窗戶以外，就是一些低功耗穩態顯示器件，當前顯示領域並未用到電致變色，一方面，電致變色一般來講是一種單穩態的器件，雙穩態是未來的研究方向，實現雙穩態可以在很多顯示領域的場景獲得應用，比如超市的電子價格顯示碼等等；另一方面，顏色的變化也使得電致變色在諸如手機等一些消費電子方面獲得應用，可以實現個性化來電等。” 曹遜研究員解釋道。
研究團隊研發的這種電致變色器件，由五層材料組成，包括兩層透明導電極（ITO）、氧化鎢、有機物PEDOT:PSS和Na+離子對電極層。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，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。
在這項成果中，曹遜研究員團隊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。研究人員發現在5/8 s的短脈衝刺激下仍能有效著/褪色。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，該工作創新性地提出插入一層Na+離子源，促進H+高效釋放。此外，在進一步電壓的驅動下，更多Na+進入PEDOT:PSS層，著色程度繼續加深，得到更高的著色對比對。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。
中繼式質子傳輸電致變色器件結構示意圖 | 邵澤偉供圖
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著/褪色對比度（在650 nm處達到90%）、超快的響應速度（0.7s內著色至 90%，0.9 s內褪色至65%，7.1s內褪色至 90%）、良好的著色效率（在670 nm處達到109 cm2C-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）。
對於電致變色器件效能的進一步提升，曹遜研究員介紹道：“電致變色未來要把變色的均勻性做出提升，將在建築或車窗等領域有著巨大的前景。另外，電致變色的多彩性也是其重要的發展方向，可以滿足人們不同的應用需求。”
新型電致變色器件的效能表徵結果 | 邵澤偉供圖
參考文獻
[1] Shao, Z., Huang, A., Ming, C. et al. All-solid-state proton-based tandem structures for fast-switching electrochromic devices. Nat Electron 5, 45–52 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00697-4
作者：邵澤偉
編輯：酥魚
排版：尹寧流
研究團隊
（共同）通訊作者曹遜：中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員，博士生導師，古陶瓷與工業陶瓷中心副主任，“光熱調控智慧材料課題組”組長，上海浦江人才。2004年畢業於吉林大學，獲學士學位，2010年畢業於中國科學院上海矽酸鹽研究所材料物理與化學專業，獲工學博士學位，畢業後留所工作擔任助理研究員、副研究員，2015年開始先後在美國加州大學伯克利分校和勞倫茲國家實驗室從事功能薄膜材料與器件的研究，2016年底回國後，先後任課題組副組長，組長，研究員。研究方向主要包括光熱調控材料與元器件，新型節能材料及塗層開發等。獲中科院首屆“率先杯“未來技術創新大賽決賽優勝獎（排名第一），在光熱調控材料及器件領域發表SCI論文60篇；成果被多種國際知名期刊（如：Nat. Nanotechnol., Adv. Mater., Rep. Prog. Phys.等）引用2600餘次，H因子29。近五年來，以第一/通訊作者在Nat. Electron., Matter (2篇), Adv. Energy Mater., Nano Energy (2篇), Acc Mater. Res., NPG Asia Mater., Laser Photonics & Rev. (2篇), J. Mater. Chem. A (2篇)等國際核心期刊上發表論文五十餘篇。受邀參與撰寫了4部光熱調控材料相關英文著作；目前擔任《Materials Research Letters》，《Advances in Manufacturing》，《無機材料學報》青年編委。以第一/主要發明人累計申請專利30項，已獲授權17項；多次受邀在國際/國內電致變色材料大會、國際特種陶瓷大會等學術論壇上作邀請報告。作為負責人主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金（3項）、中科院預研支撐、中科院國際合作、JPPT、GF創新等專案20餘項。
曹遜研究員團隊合影 | 邵澤偉供圖
第一作者邵澤偉：2016年於中國科學技術大學材料科學與工程系獲得學士學位，2021年於中國科學院上海矽酸鹽所獲得博士學位，導師為金平實研究員和曹遜研究員。2021年迄今在浙江大學杭州國際科創中心盛況教授團隊從事博士後研究，主要研究領域為功能氧化物與寬禁帶半導體，致力於高效能氧化物介面設計與構築。
論文資訊
釋出期刊《自然·電子學》Nature Electronic
釋出時間2022年1月24日
文章標題All-solid-state proton-based tandem structures for fast-switching electrochromic devices
（DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-021-00697-4）
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