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。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所金平实研究员、曹逊研究员团队与孙宜阳特聘研究员、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，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，拓展了应用领域。该工作将器件的响应时间降低至1s以下（0.7s），显著降低了作为电子器件的功耗，进一步推动低功耗稳态显示器件的应用进程。相关研究成果以“All-Solid-State Proton-Based Tandem Structures for Fast-Switching Electrochromic Devices”为标题发表在《自然-电子学》（Nature Electronics）。论文共同第一作者是上海硅酸盐所光热调控智能材料课题组博士生邵泽伟、黄爱彬博士和上海硅酸盐所集成计算材料研究中心明辰博士，通讯作者是上海硅酸盐所光热调控智能材料课题组曹逊研究员、上海硅酸盐所集成计算材料研究中心孙宜阳研究员和上海大学罗宏杰教授。
氧化钨（WO3）因其优异的性能而成为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（如图1a所示），在电致变色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。研究发现，一些固态有机聚合物如PEDOT:PSS等可以在电场作用下实现质子的快速迁移。基于该发现，研究人员首次引入可实现氢离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，研究发现在5/8 s的短脉冲刺激下仍能有效着/褪色（如图1b所示）。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，研究人员又进一步提出插入一层Na+离子源，促进H+高效释放（如图1c所示）。电压驱动下Na+进入PEDOT:PSS层，着色程度显著加深。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。
研究人员进一步制备了全固态电致变色器件并评估综合性能，发现基于该结构的电致变色器件在着色过程中具有高对比度（在650 nm处达到90%）、超快的响应速度（0.7 s内着色至90%，0.9 s内褪色至65%，7.1 s内褪色至90%）、良好的着色效率（在670 nm处达到109 cm2 C-1）和出色的循环稳定性（3,000次循环后，着褪色对比度降低小于10%）。此外，研究人员还将该设计方案拓展至大面积全固态电致变色器件（30×40 cm2）和柔性器件（10×10 cm2）。
该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、ANSO国际合作专项、中科院青年创新促进会和上海市科委等项目的资助和支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00697-4.
图1 中继式质子传输电致变色器件结构示意图
图2 新型电致变色器件的性能表征结果
图3 新型电致变色器件的大面积和柔性制备
