電致變色是電致變色材料的光學(xué)屬性（反射率、透過率等）在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。氧化鎢材料作為典型的無機(jī)電致變色材料，由于其良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，使其具有較高的商業(yè)化前景。然而，單一顏色變化（無色-藍(lán)色之間切換）難以滿足一些場景對(duì)色彩絢麗器件的需求，限制其進(jìn)一步應(yīng)用推廣。因此，探索基于無機(jī)材料的多彩電致變色技術(shù)對(duì)電致變色領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。
近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員趙志剛團(tuán)隊(duì)基于前期對(duì)于氧化鎢材料多彩電致變色技術(shù)的研究（Nat. Commun. 2020, 11, 302；Nano Lett. 2020, 20, 1912-1915），發(fā)現(xiàn)這種基于氧化鎢材料的法布里-珀羅諧振腔結(jié)構(gòu)的電致變色器件可實(shí)現(xiàn)豐富的顏色調(diào)控。在這種電致變色器件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)通過減薄諧振腔結(jié)構(gòu)中的金屬層厚度至4-8nm，設(shè)計(jì)出一種全新的“雙面神”結(jié)構(gòu)的電致變色器件（圖a）。該器件正反兩側(cè)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的顏色不對(duì)稱性（圖b），當(dāng)施加電壓進(jìn)一步調(diào)制時(shí)，其一側(cè)著色狀態(tài)與另一側(cè)著色狀態(tài)明顯不同，會(huì)產(chǎn)生更豐富的不對(duì)稱顏色變化（圖c），這與傳統(tǒng)的電致變色器件所具有的對(duì)稱顏色變化特性有較大差別。這種“雙面神”效應(yīng)是利用光學(xué)超薄金屬層的復(fù)雜光學(xué)常數(shù)（n,k）引起反射光的異常相移來實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步地，為了實(shí)現(xiàn)不同特性的不對(duì)稱顏色變化，研究選擇了不同金屬層作為光學(xué)吸收層，如鎢（W）、鈦（Ti）、銅（Cu）、銀（Ag）層等，發(fā)現(xiàn)金屬層的折射率（n）越大、消光系數(shù)（k）越大，器件顏色不對(duì)稱性越強(qiáng)。
為了更好、更有趣地展示這種新型“雙面神”多彩電致變色技術(shù)，科研人員受自然界枯葉蝶的啟發(fā)（其背側(cè)與腹側(cè)顏色不對(duì)稱），制作出一個(gè)人工枯葉蝶器件來展示這種獨(dú)特的“雙面神”特性（圖d）。這只人工蝴蝶的背側(cè)和腹側(cè)翅膀表面呈現(xiàn)出不同顏色，當(dāng)它合上翅膀時(shí)，腹側(cè)表現(xiàn)出暗淡的棕褐色，像一片干燥的葉子，可以幫助躲避捕食者；當(dāng)它張開翅膀時(shí)，可以呈現(xiàn)出絢麗的顏色且可實(shí)現(xiàn)色彩轉(zhuǎn)變。
該研究對(duì)新型電致變色器件的設(shè)計(jì)和構(gòu)建提供了全新思路。未來，研究將立足于把這種器件的不對(duì)稱顏色擴(kuò)展到紅外光譜（熱輻射），并為這種新型電致變色器件探索各種新的應(yīng)用場景。相關(guān)研究成果以Mimicking Nature's Butterflies: Electrochromic Devices with Dual‐Sided Differential Colorations為題，發(fā)表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202007314）上。蘇州納米所博士生陳健為論文第一作者，趙志剛為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中科院對(duì)外合作項(xiàng)目、江蘇省六大人才高峰工程及江西省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。
新型“雙面神”電致變色器件結(jié)構(gòu)及不對(duì)稱顏色展示
