上硅所曹遜團隊實現透明-反射雙模式多色調控全固態電致變色器件

基于電致變色器件（ECDs）結構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點，相比于目前商業化的液晶和發光二極管等發光顯示器，電致變色顯示器沒有藍光，對人眼更加友好。無機全固態ECDs因其良好的化學穩定性、高光學調制速率和優異的工藝兼容性，在工業領域有著重要的應用價值。然而，其單色特性限制了它在顯示領域的發展。如何在無機全固態ECDs上實現動態顏色可調的，是當今材料科學研究的一個前沿和熱點，這種彩色無機全固態ECDs未來也將在廣告、信息傳輸和防偽等領域具有巨大的應用潛力。

中國科學院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員帶領團隊基于光學干涉原理，通過光學精準設計、模擬與計算，研制了一種復合電極結構，該復合電極結構內部的光學腔可使入射光發生干涉和衍射，從而呈現出彩虹般的鮮艷色彩。在此基礎上，研究團隊開發了一種WO?基彩色全固態電致變色器件（ECDs），具有透明-反射兩種不同的切換模式。該器件采用介質-金屬-介質（DMD）復合電極，其器件結構為ITO/Ag/ITO/Ag/ITO/WO?/LiTaO?/NiO?/ITO/玻璃。在該結構中，Li?插入WO?晶格中，導致器件透射率逐漸降低，透射光減弱，反射光增強，器件從透射模式切換至反射模式，顏色也從透射色變為反射色。當施加負電壓時，Li?脫出并傳輸至器件恢復至透射狀態，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。簡言之，通過控制透射光強度可調節器件的模式與顏色。

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

這種具有透明-反射雙模式的彩色全固態ECDs，可使用室內和室外兩種不同場景下的顯示。同時，基于多層膜堆疊結構使得該器件具有成本低、可擴展性強的優點，適合大規模生產。

圖2. DMD全固態ECDs雙模式切換及顏色變化示意圖

團隊分別制備了紅色、綠色和藍色（透射藍、紅、綠）的彩色全固態ECDs，這些器件具有高亮度、良好的顯色性、優異的電致變色性能。此外，利用電致變色層的可調光學常數以及加色混合原理，僅需±1.5 V的最小偏置電壓，就能實現高達11.58%的超寬色域，這顯著拓寬了全固態電致變色器件的色域邊界，是顯色性能方面的重大突破。該器件具有優異的電致變色性能、出色的循環穩定性（至少5600次循環）和低功耗（3.8 mW cm?2）。可應用于廣告牌等大尺寸顯示應用領域，在信息傳輸和防偽領域也具有廣闊的應用前景。該工作為解決無機全固態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，雙模式設計使其成為‘多場景顯示’的候選技術，為電致變色低功耗智能窗口顯示開辟新路徑。

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

相關研究成果以“Transparent-To-Reflective Multicolor All-Solid-State Electrochromic Devices for Next-Generation Intelligent Display Windows”為題發表在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生賈漢祥為論文共同第一作者。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金等項目的資助和支持。

論文信息：

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