電致變色是電致變色材料的光學(xué)屬性（反射率、透過率等）在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。氧化鎢材料作為典型的無機電致變色材料，由于其良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，使其具有較高的商業(yè)化前景。然而，單一顏色變化（無色-藍色之間切換）難以滿足一些場景對色彩絢麗器件的需求，限制其進一步應(yīng)用推廣。因此，探索基于無機材料的多彩電致變色技術(shù)對電致變色領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。

近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員趙志剛團隊基于前期對于氧化鎢材料多彩電致變色技術(shù)的研究（Nat. Commun. 2020, 11, 302；Nano Lett. 2020, 20, 1912-1915），發(fā)現(xiàn)這種基于氧化鎢材料的法布里-珀羅諧振腔結(jié)構(gòu)的電致變色器件可實現(xiàn)豐富的顏色調(diào)控。在這種電致變色器件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，團隊通過減薄諧振腔結(jié)構(gòu)中的金屬層厚度至4-8nm，設(shè)計出一種全新的“雙面神”結(jié)構(gòu)的電致變色器件（圖a）。該器件正反兩側(cè)表現(xiàn)出強烈的顏色不對稱性（圖b），當施加電壓進一步調(diào)制時，其一側(cè)著色狀態(tài)與另一側(cè)著色狀態(tài)明顯不同，會產(chǎn)生更豐富的不對稱顏色變化（圖c），這與傳統(tǒng)的電致變色器件所具有的對稱顏色變化特性有較大差別。這種“雙面神”效應(yīng)是利用光學(xué)超薄金屬層的復(fù)雜光學(xué)常數(shù)（n,k）引起反射光的異常相移來實現(xiàn)的。進一步地，為了實現(xiàn)不同特性的不對稱顏色變化，研究選擇了不同金屬層作為光學(xué)吸收層，如鎢（W）、鈦（Ti）、銅（Cu）、銀（Ag）層等，發(fā)現(xiàn)金屬層的折射率（n）越大、消光系數(shù)（k）越大，器件顏色不對稱性越強。

新型“雙面神”電致變色器件結(jié)構(gòu)及不對稱顏色展示

為了更好、更有趣地展示這種新型“雙面神”多彩電致變色技術(shù)，科研人員受自然界枯葉蝶的啟發(fā)（其背側(cè)與腹側(cè)顏色不對稱），制作出一個人工枯葉蝶器件來展示這種獨特的“雙面神”特性（圖d）。這只人工蝴蝶的背側(cè)和腹側(cè)翅膀表面呈現(xiàn)出不同顏色，當它合上翅膀時，腹側(cè)表現(xiàn)出暗淡的棕褐色，像一片干燥的葉子，可以幫助躲避捕食者；當它張開翅膀時，可以呈現(xiàn)出絢麗的顏色且可實現(xiàn)色彩轉(zhuǎn)變。

該研究對新型電致變色器件的設(shè)計和構(gòu)建提供了全新思路。未來，研究將立足于把這種器件的不對稱顏色擴展到紅外光譜（熱輻射），并為這種新型電致變色器件探索各種新的應(yīng)用場景。相關(guān)研究成果以Mimicking Nature's Butterflies: Electrochromic Devices with Dual‐Sided Differential Colorations為題，發(fā)表在Advanced Materials上。蘇州納米所博士生陳健為論文第一作者，趙志剛為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、中科院青年創(chuàng)新促進會、中科院對外合作項目、江蘇省六大人才高峰工程及江西省自然科學(xué)基金重點項目的資助。

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