本文转自：我是科学家iScientist
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 。”

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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 。