上硅所曹遜團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)透明-反射雙模式多色調(diào)控全固態(tài)電致變色器件

基于電致變色器件（ECDs）結(jié)構(gòu)的顯示器因具有能耗低、可視化便捷、易查看、可彎曲性可延展性等優(yōu)點(diǎn)，相比于目前商業(yè)化的液晶和發(fā)光二極管等發(fā)光顯示器，電致變色顯示器沒(méi)有藍(lán)光，對(duì)人眼更加友好。無(wú)機(jī)全固態(tài)ECDs因其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高光學(xué)調(diào)制速率和優(yōu)異的工藝兼容性，在工業(yè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，其單色特性限制了它在顯示領(lǐng)域的發(fā)展。如何在無(wú)機(jī)全固態(tài)ECDs上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顏色可調(diào)的，是當(dāng)今材料科學(xué)研究的一個(gè)前沿和熱點(diǎn)，這種彩色無(wú)機(jī)全固態(tài)ECDs未來(lái)也將在廣告、信息傳輸和防偽等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)基于光學(xué)干涉原理，通過(guò)光學(xué)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、模擬與計(jì)算，研制了一種復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，該復(fù)合電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光學(xué)腔可使入射光發(fā)生干涉和衍射，從而呈現(xiàn)出彩虹般的鮮艷色彩。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種WO?基彩色全固態(tài)電致變色器件（ECDs），具有透明-反射兩種不同的切換模式。該器件采用介質(zhì)-金屬-介質(zhì)（DMD）復(fù)合電極，其器件結(jié)構(gòu)為ITO/Ag/ITO/Ag/ITO/WO?/LiTaO?/NiO?/ITO/玻璃。在該結(jié)構(gòu)中，Li?插入WO?晶格中，導(dǎo)致器件透射率逐漸降低，透射光減弱，反射光增強(qiáng)，器件從透射模式切換至反射模式，顏色也從透射色變?yōu)榉瓷渖．?dāng)施加負(fù)電壓時(shí)，Li?脫出并傳輸至器件恢復(fù)至透射狀態(tài)，顏色還原為透射色。若在器件后方添加黑色背景，器件可直接切換為反射模式。簡(jiǎn)言之，通過(guò)控制透射光強(qiáng)度可調(diào)節(jié)器件的模式與顏色。

圖1. DMD全固態(tài)ECDs。（a）基于DMD全固態(tài)電致變色器件子像素的電致變色像素顯示器，適用于未來(lái)的廣告牌。（b）電致變色像素顯示器的結(jié)構(gòu)（由電極、電致變色像素和外部電路組成）。（c）DMD電極材料的放大結(jié)構(gòu)。

這種具有透明-反射雙模式的彩色全固態(tài)ECDs，可使用室內(nèi)和室外兩種不同場(chǎng)景下的顯示。同時(shí)，基于多層膜堆疊結(jié)構(gòu)使得該器件具有成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

圖2. DMD全固態(tài)ECDs雙模式切換及顏色變化示意圖

團(tuán)隊(duì)分別制備了紅色、綠色和藍(lán)色（透射藍(lán)、紅、綠）的彩色全固態(tài)ECDs，這些器件具有高亮度、良好的顯色性、優(yōu)異的電致變色性能。此外，利用電致變色層的可調(diào)光學(xué)常數(shù)以及加色混合原理，僅需±1.5 V的最小偏置電壓，就能實(shí)現(xiàn)高達(dá)11.58%的超寬色域，這顯著拓寬了全固態(tài)電致變色器件的色域邊界，是顯色性能方面的重大突破。該器件具有優(yōu)異的電致變色性能、出色的循環(huán)穩(wěn)定性（至少5600次循環(huán)）和低功耗（3.8 mW cm?2）。可應(yīng)用于廣告牌等大尺寸顯示應(yīng)用領(lǐng)域，在信息傳輸和防偽領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。該工作為解決無(wú)機(jī)全固態(tài)ECDs的色域窄的難題提供了新的思路，打破了其色域限制，同時(shí)，雙模式設(shè)計(jì)使其成為‘多場(chǎng)景顯示’的候選技術(shù)，為電致變色低功耗智能窗口顯示開(kāi)辟新路徑。

圖3. DMD彩色全固態(tài)ECDs的彩色顯示及防偽應(yīng)用。a）不同模式下彩色玫瑰圖案。b）帶有字母和數(shù)字標(biāo)記的器件在戶外和D65光箱中兩種不同模式的變化情況。

相關(guān)研究成果以“Transparent-To-Reflective Multicolor All-Solid-State Electrochromic Devices for Next-Generation Intelligent Display Windows”為題發(fā)表在Advanced Materials上。上海硅酸鹽研究所碩士研究生郭健康和上海硅酸鹽所博士畢業(yè)生賈漢祥為論文共同第一作者。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助和支持。

論文信息：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202500350