近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員金平實、曹遜團隊與特聘研究員孫宜陽、上海大學教授羅宏杰、澳大利亞昆士蘭科技大學教授John Bell以及中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院合作，從實驗和理論兩個維度，首次提出利用質(zhì)子中繼式傳輸在WO₃電致變色材料中實現(xiàn)高著/褪色比的快速切換，并成功制備出超快響應的全固態(tài)電致變色器件，突破了響應速度慢導致的應用局限，拓展了應用領(lǐng)域。該工作將器件的響應時間降低至1s以下（0.7s），顯著降低了作為電子器件的功耗，進一步推動低功耗穩(wěn)態(tài)顯示器件的應用進程。 

　　氧化鎢（WO₃）因其優(yōu)異的性能而成為目前應用最廣泛的電致變色材料。WO₃的電致變色過程主要是基于W元素的可逆變價以及陽離子（H⁺, Li⁺, Na⁺,Al³⁺等）的可逆嵌入和脫出來實現(xiàn)。其中，嵌入和脫出陽離子是影響材料著色速度和循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在眾多陽離子中，質(zhì)子（H⁺）相比于其他陽離子具有更小的離子半徑和更快的遷移速度（如圖1a所示），在電致變色嵌入和脫出過程中具有明顯優(yōu)勢。但是，質(zhì)子往往存在于液體電解質(zhì)中而無法很好集成在固態(tài)電致變色器件中。研究發(fā)現(xiàn)，一些固態(tài)有機聚合物如PEDOT:PSS等可以在電場作用下實現(xiàn)質(zhì)子的快速遷移?；谠摪l(fā)現(xiàn)，研究人員首次引入可實現(xiàn)氫離子快速遷移的有機物（PEDOT:PSS）作為固態(tài)質(zhì)子源，并與WO₃電致變色層復合設(shè)計串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電致變色層，研究發(fā)現(xiàn)在5/8 s的短脈沖刺激下仍能有效著/褪色（如圖1b所示）。然而這種著/褪色的過程受限于有限的質(zhì)子供應，其變化僅為約15%，還不能體現(xiàn)器件的全部性能。基于此，研究人員又進一步提出插入一層Na⁺離子源，促進H⁺高效釋放（如圖1c所示）。電壓驅(qū)動下Na⁺進入PEDOT:PSS層，著色程度顯著加深。第一性原理計算也為上述質(zhì)子中繼式遷移機制提供了理論證據(jù)。 

　　研究人員進一步制備了全固態(tài)電致變色器件并評估綜合性能，發(fā)現(xiàn)基于該結(jié)構(gòu)的電致變色器件在著色過程中具有高對比度（在650 nm處達到90%）、超快的響應速度（0.7 s內(nèi)著色至90%，0.9 s內(nèi)褪色至65%，7.1 s內(nèi)褪色至90%）、良好的著色效率（在670 nm處達到109 cm² C^-1）和出色的循環(huán)穩(wěn)定性（3000次循環(huán)后，著褪色對比度降低小于10%）。此外，研究人員還將該設(shè)計方案拓展至大面積全固態(tài)電致變色器件（30×40 cm²）和柔性器件（10×10 cm²）。 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-電子學》（Nature Electronics）上。論文共同第一作者是上海硅酸鹽所光熱調(diào)控智能材料課題組博士生邵澤偉、博士黃愛彬和集成計算材料研究中心博士明辰，通訊作者是曹遜、孫宜陽和羅宏杰。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、ANSO國際合作專項、中科院青年創(chuàng)新促進會和上海市科委等項目的資助和支持。 

　　論文鏈接 

　　圖1 中繼式質(zhì)子傳輸電致變色器件結(jié)構(gòu)示意圖 

　　圖2 新型電致變色器件的性能表征結(jié)果 

　　圖3 新型電致變色器件的大面積和柔性制備