近日，中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员团队与孙宜阳研究员、上海大学罗宏杰教授、澳大利亚昆士兰科技大学John Bell教授以及中建材蚌埠玻璃工业设计研究院合作，开发兼具快响应速度和高着/褪色对比度的电致变色器件。研究成果以All-solid-state proton-based tandem structures for fast-switching electrochromic devices为题，于2022年1月24日发表于Nature Electronic上。
曹逊研究员告诉果壳硬科技：“我们研究团队从实验和理论两个维度，首次提出利用质子中继式传输在WO3电致变色材料中实现了高着/褪色比的快速切换，并成功制备出超快响应的全固态电致变色器件，突破了响应速度慢导致的应用局限，大大拓展了应用领域。”
大面积和柔性电致变色器件的制备 | 邵泽伟供图全固态电致变色器件的工作原理是通过对器件施加电压来调节太阳辐射的透射率，可用于制造智能窗户。电致变色是指材料的光学性质（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。
利用电致变色材料制备的电致变色器件可广泛应用于节能窗和显示领域。尤其是在显示领域，响应速度慢严重制约了其应用于电子器件。该工作在提升器件着/褪色对比度的同时将器件的响应时间降低至1 s以下（0.7 s），显著降低了作为电子器件的功耗，进一步接近显示器件的刷新频率，加速其应用进程。
“电致变色核心的应用场景，除了建筑、汽车等的窗户以外，就是一些低功耗稳态显示器件，当前显示领域并未用到电致变色，一方面，电致变色一般来讲是一种单稳态的器件，双稳态是未来的研究方向，实现双稳态可以在很多显示领域的场景获得应用，比如超市的电子价格显示码等等；另一方面，颜色的变化也使得电致变色在诸如手机等一些消费电子方面获得应用，可以实现个性化来电等。” 曹逊研究员解释道。
研究团队研发的这种电致变色器件，由五层材料组成，包括两层透明导电极（ITO）、氧化钨、有机物PEDOT:PSS和Na+离子对电极层。氧化钨（WO3）因其优异的性能是目前应用最广泛的电致变色材料。WO3的电致变色过程主要是基于W元素的可逆变价以及阳离子（H+, Li+, Na+, Al3+等）的可逆嵌入和脱出来实现。其中，嵌入和脱出阳离子是影响材料着色速度和循环稳定性的关键因素。在众多阳离子中，质子（H+）相比于其他阳离子具有更小的离子半径和更快的迁移速度，在电致变色的嵌入和脱出过程中具有明显优势。但是，质子往往存在于液体电解质中而无法很好集成在固态电致变色器件中。
在这项成果中，曹逊研究员团队首次引入可实现质子快速迁移的有机物（PEDOT:PSS）作为固态质子源，并与WO3电致变色层复合设计串联结构的电致变色层。研究人员发现在5/8 s的短脉冲刺激下仍能有效着/褪色。然而这种着/褪色的过程受限于有限的质子供应，其变化仅为约15%，还不能体现器件的全部性能。基于此，该工作创新性地提出插入一层Na+离子源，促进H+高效释放。此外，在进一步电压的驱动下，更多Na+进入PEDOT:PSS层，着色程度继续加深，得到更高的着色对比对。第一性原理计算也为上述质子中继式迁移机制提供了理论证据。
中继式质子传输电致变色器件结构示意图 | 邵泽伟供图研究人员进一步制备了全固态电致变色器件并评估综合性能，发现基于该结构的电致变色器件在着色过程中具有高着/褪色对比度（在650 nm处达到90%）、超快的响应速度（0.7s内着色至 90%，0.9 s内褪色至65%，7.1s内褪色至 90%）、良好的着色效率（在670 nm处达到109 cm2 C-1）和出色的循环稳定性（3,000次循环后，着/褪色对比度降低小于10%）。此外，研究人员还将该设计方案拓展至大面积全固态电致变色器件（30×40 cm2）和柔性器件（10×10 cm2）。
对于电致变色器件性能的进一步提升，曹逊研究员介绍道：“电致变色未来要把变色的均匀性做出提升，将在建筑或车窗等领域有着巨大的前景。另外，电致变色的多彩性也是其重要的发展方向，可以满足人们不同的应用需求。”
新型电致变色器件的性能表征结果 | 邵泽伟供图参考文献
[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：邵泽伟
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
研究团队
（共同）通讯作者 曹逊：中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，古陶瓷与工业陶瓷中心副主任，“光热调控智能材料课题组”组长，上海浦江人才。2004年毕业于吉林大学，获学士学位，2010年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所材料物理与化学专业，获工学博士学位，毕业后留所工作担任助理研究员、副研究员，2015年开始先后在美国加州大学伯克利分校和劳伦兹国家实验室从事功能薄膜材料与器件的研究，2016年底回国后，先后任课题组副组长，组长，研究员。研究方向主要包括光热调控材料与元器件，新型节能材料及涂层开发等。获中科院首届“率先杯“未来技术创新大赛决赛优胜奖（排名第一），在光热调控材料及器件领域发表SCI论文60篇；成果被多种国际知名期刊（如：Nat. Nanotechnol., Adv. Mater., Rep. Prog. Phys.等）引用2600余次，H因子29。近五年来，以第一/通讯作者在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)等国际核心期刊上发表论文五十余篇。受邀参与撰写了4部光热调控材料相关英文著作；目前担任《Materials Research Letters》，《Advances in Manufacturing》，《无机材料学报》青年编委。以第一/主要发明人累计申请专利30项，已获授权17项；多次受邀在国际/国内电致变色材料大会、国际特种陶瓷大会等学术论坛上作邀请报告。作为负责人主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金（3项）、中科院预研支撑、中科院国际合作、JPPT、GF创新等项目20余项。
曹逊研究员团队合影 | 邵泽伟供图第一作者 邵泽伟：2016年于中国科学技术大学材料科学与工程系获得学士学位，2021年于中国科学院上海硅酸盐所获得博士学位，导师为金平实研究员和曹逊研究员。2021年迄今在浙江大学杭州国际科创中心盛况教授团队从事博士后研究，主要研究领域为功能氧化物与宽禁带半导体，致力于高性能氧化物界面设计与构筑。
发布期刊?《自然·电子学》Nature Electronic
发布时间?2022年1月24日
文章标题All-solid-state proton-based tandem structures for fast-switching electrochromic devices
（DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-021-00697-4）
