電致變色是指材料的光學(xué)性質(zhì)（反射率、透過率、吸收率等）在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。利用電致變色材料制備的電致變色器件可廣泛應(yīng)用于節(jié)能窗和顯示領(lǐng)域。尤其是在顯示領(lǐng)域，響應(yīng)速度慢嚴(yán)重制約了其應(yīng)用于電子器件。 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員(第八批青促會會員)團(tuán)隊(duì)與孫宜陽研究員、上海大學(xué)羅宏杰教授、澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)John Bell教授以及中建材蚌埠玻璃研究院合作，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)維度，首次提出利用質(zhì)子中繼式傳輸在WO3電致變色材料中實(shí)現(xiàn)了高著/褪色比的快速切換，并成功制備出超快響應(yīng)的全固態(tài)電致變色器件，突破了響應(yīng)速度慢導(dǎo)致的應(yīng)用局限，拓展了應(yīng)用領(lǐng)域。  圖1：中繼式質(zhì)子傳輸電致變色器件結(jié)構(gòu)示意圖 氧化鎢（WO3）因其優(yōu)異的性能是目前應(yīng)用最廣泛的電致變色材料。WO3的電致變色過程主要是基于W元素的可逆變價(jià)以及陽離子（H+, Li+, Na+, Al3+等）的可逆嵌入和脫出來實(shí)現(xiàn)。其中，嵌入和脫出陽離子是影響材料著色速度和循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在眾多陽離子中，質(zhì)子（H+）相比于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(yōu)勢。但是，質(zhì)子往往存在于液體電解質(zhì)中而無法很好集成在固態(tài)電致變色器件中。研究發(fā)現(xiàn)，一些固態(tài)有機(jī)聚合物如PEDOT:PSS等可以在電場作用下實(shí)現(xiàn)質(zhì)子的快速遷移�；谶@個(gè)發(fā)現(xiàn)，研究人員首次引入可實(shí)現(xiàn)質(zhì)子快速遷移的有機(jī)物（PEDOT:PSS）作為固態(tài)質(zhì)子源，并與WO3電致變色層復(fù)合設(shè)計(jì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電致變色層，研究發(fā)現(xiàn)在5/8 s的短脈沖刺激下仍能有效著/褪色（如圖1b所示）。然而這種著/褪色的過程受限于有限的質(zhì)子供應(yīng)，其變化僅為約15%，還不能體現(xiàn)器件的全部性能。基于此，研究人員又進(jìn)一步提出插入一層Na+離子源，促進(jìn)H+高效釋放（如圖1c所示）。電壓驅(qū)動下Na+進(jìn)入PEDOT:PSS層，著色程度顯著加深。第一性原理計(jì)算也為上述質(zhì)子中繼式遷移機(jī)制提供了理論證據(jù)。 研究人員進(jìn)一步制備了全固態(tài)電致變色器件并評估綜合性能，發(fā)現(xiàn)基于該結(jié)構(gòu)的電致變色器件在著色過程中具有高對比度（在650 nm處達(dá)到90%）、超快的響應(yīng)速度（0.7 s內(nèi)著色至 90%，0.9 s內(nèi)褪色至65%，7.1 s內(nèi)褪色至 90%）、良好的著色效率（在670 nm處達(dá)到109 cm2 C-1）和出色的循環(huán)穩(wěn)定性（3,000次循環(huán)后，著褪色對比度降低小于10%）。此外，研究人員還將該設(shè)計(jì)方案拓展至大面積全固態(tài)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性能表征結(jié)果  圖3：大面積和柔性電致變色器件的制備 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(biāo)題發(fā)表在《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）。該論文由曹遜研究員團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)來完成，文章的共同第一作者是上海硅酸鹽研究所光熱調(diào)控智能材料課題組博士生邵澤偉、黃愛彬博士和上海硅酸鹽研究所計(jì)算材料中心明辰博士，通訊作者是上海硅酸鹽研究所光熱調(diào)控智能材料課題組曹遜研究員（青促會會員）、上海硅酸鹽研究所計(jì)算材料中心孫宜陽研究員和上海大學(xué)羅宏杰教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（62175248、51972328）、ANSO國際合作專項(xiàng)（ANSO-CR-KP-2021-01）、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（2018288）和上海市國際合作項(xiàng)目（21520712500）等項(xiàng)目的資助和支持。 文章鏈接
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