透明無機多色顯示器“橫空出世”

2020-08-09 11:28

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創長光所Light中心中國光學

撰稿 | 楓艾杜博士（中科院過程工程研究所）

導讀

電致變色顯示技術作為一種很有前途的彩色顯示技術，一直是人們廣泛研究的課題。目前最先進的無機多色電致變色顯示器利用了犧牲透明度的納米結構，然而也限制了其應用的多樣性。

圖源：Marvel

最近，加拿大阿爾伯塔大學超快光學和納米光子學實驗室（Ultrafast Optics and Nanophotonics Laboratory）的Abdulhakem Y. Elezzabi教授和Dr. Haizeng Li 領導的研究團隊，在 Light: Science & Applications 發表論文，該團隊首次提出了一種集高透明度和高能效于一體的無機多色顯示器的新概念，開發出一種基于鋅基電致變色器件的透明無機多色顯示器。這種器件能夠使頂部和底部電致變色電極獨立運行，從而通過利用相同或不同顏色狀態下的雙電致變色層，為設備提供額外的配置靈活性。

本研究制備的鋅基電致變色顯示材料是目前最有前途實現高能效、透明、無機多色顯示器的關鍵。

背景介紹

近年來，由于其零能耗，同時保持光學透明或彩色狀態，電致變色器件在各種應用領域吸引了越來越多的關注，包括智能窗口、顯示器和顏色可調光學元件等。特別是，多色電致變色顯示器是最通用的應用之一，因為它們可以保持其彩色狀態而不需要供電。雖然基于有機分子、聚合物和金屬有機框架的電致變色顯示器顯示出了彩色的特點，但這些材料的熱穩定性和化學穩定性低于無機電致變色材料，這些缺點嚴重阻礙了它們在現實世界中的應用和潛在的商業化。

最近，無機多色電致變色顯示器通過結合光子Fabry–Perot納米腔或等離子鉻金屬-絕緣體-納米孔腔，實現了單色WO3薄膜的多色功能，從而在反射模式下這些器件能夠支持多色處理。為了實現廣泛的應用，一種既具有高光學透明度又能表達顏色狀態的器件配置被迫切需求。

值得注意的是，在能源效率方面，上述反射模裝置消耗電能，仍需要外部電壓來觸發染色/漂白過程。雖然該領域仍處于起步階段，但多色電致變色顯示器的電能回收將使該器件具有很高的能源效率，特別是在大面積顯示器方面。

除了以納米為基礎的無機多色顯示器，顏色疊加策略也是一種更簡單的方法。通過疊加不同的顏色層來擴大無機電致變色設備的調色板（例如,顏色疊加)。氧化釩(V2O5)被認為是最有前途的用于多色電致變色顯示器的無機材料。據目前所知, 通過使用傳統的電致變色設備的配置，釩氧化物只能夠實現三種顏色(黃色?綠色?藍色)。傳統的電致變色設備運行時，計數器層的同時著色限制了顏色疊加的效果。

圖1 兩種不同類型的電致變色裝置的示意圖

圖源：Light Sci Appl 9, 121 (2020).（Fig.1）

由于V2O5電極既可作為電致變色層也可作為計數器層，因此可以配置如圖1 a中所示的配置以消除計數器V2O5電極的同時著色效應。然而，因為V2O5電極的頂部和底部只能在反氧化還原狀態下著色，當設備運行時，不同的氧化還原狀態下，只有三種顏色能夠被實現。該研究展示了一種鋅基電致變色器件，是由夾在兩個電致變色電極(如WO3、PB)之間的薄鋅箔陽極組成(圖1 b)。由于WO3和PB薄膜的單色性，這些器件在智能窗口領域顯示了巨大潛力。

在這項研究中，我們提出一種新的概念，透明無機多色電致變色顯示使用鈉離子穩定的氧化釩(SVO)納米棒作為電致變色材料。雖然鈉離子的摻雜可以提高鋅離子電池中SVO的電導率研究很多，但到目前為止，還沒有關于SVO用于電致變色裝置的報道。目前最先進的基于釩的電致變色顯示研究集中在開發納米結構的氧化釩(例如V2O3, V3O7, V2O5)，而沒有太多關注潛在的電致變色材料，如SVO。當與纖維素混合時，SVO納米棒與制造電致變色薄膜的簡單棒形涂布法兼容。由于SVO的氧化性質，添加的纖維素可以在200℃的低溫下充分分解避免了其對電導率的影響。

鋅-鈉-氧化釩(Zn-SVO)電致變色顯示器是將Zn夾在兩個SVO電極之間組裝而成，它們可以在多種顏色(橙色、琥珀色、黃色、棕色、黃綠色)之間可逆切換，同時保持高光學透明度。這些Zn-SVO電致變色顯示器代表了迄今為止最彩色的透明無機材料基電致變色顯示器。此外，Zn-SVO電致變色顯示器具有1.56 V的開路電位(OCP)，這使得其具有自顯色行為和引人注目的能量恢復功能。第一次展示透明無機多色顯示器有三種以上的顏色，多色特性和能量回收功能有望成為加速未來高能效電致變色顯示器發展的重要催化劑。

創新研究

SVO電極是采用棒形涂布法通過涂敷一種精心設計的環保型SVO/纖維素漿料制備。頂部和底部的電致變色電極可以在相同或不同的氧化還原狀態下獨立地運行，從而使顏色疊加效果大大拓寬調色板范圍。此外，相比傳統電致變色裝置的運行需要外部電壓來觸發著色/褪色的過程，值得注意的是，這種新型的鋅基電致變色裝置結構能夠通過其內置的電池電源而不需要外部能量輸入來實現自顯色，從而能夠部分回收褪色過程中消耗的電能。

圖2 SVO納米棒的表征

圖源：Light Sci Appl 9, 121 (2020).（Fig.2）

具體來說，SVO電極伴隨著Zn2+嵌入(自著色/放電)和提取(褪色/充電)實現可逆的顏色切換(橙色?黃色?綠色),且擁有高的光學透明度。三種固有的橙色、黃色和綠色被用作基本色發展多色Zn-SVO電致變色,通過兩段SVO電極的彩色疊加效果來實現的。構建的電致變色顯示器在多種顏色(橙色、琥珀色、黃色、棕色、黃綠色)之間切換，并回收部分消耗的能量。

圖3調色板加寬的Zn-SVO電致變色顯示器的設計和性能

圖源：Light Sci Appl 9, 121 (2020).（Fig.5）

結論與展望

該研究的關鍵特性是對現有電致變色顯示器的重大改進，使Zn-SVO電致變色顯示器在可切換濾光片、電致變色可調諧微光學和透明顯示器方面很有前景。實現的器件代表了電致變色顯示器的一個新范例，可能促進新一代電致變色顯示器的發展。

文章信息

加拿大阿爾伯塔大學電氣與計算機工程系的超快光學和納米光子學實驗室的Abdulhakem Y. Elezzabi教授和Haizeng Li博士為本文通訊作者，相關成果以Transparent inorganic multicolour displays enabled by zinc-based electrochromic devices為題，發表在 Light: Science & Applications 。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-020-00366-9

【】

公眾號時間軸改版，很多讀者反饋沒有看到更新的文章，據最新規則，建議：多次進“中國光學”公眾號，閱讀3-5篇文章，成為“常讀”用戶，就能及時收到了。

歡迎課題組投遞成果宣傳稿

轉載/合作/課題組投稿，請加微信：447882024

Banner 區域

往期推薦

走進新刊

開放投稿：Light:Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

期刊網站：www.light-am.com