蘇州納米所趙志剛團(tuán)隊(duì)等AM：基于多孔超材料的高視覺質(zhì)量彩色電致變色顯示器件
現(xiàn)如今顯示器無處不在，是動(dòng)態(tài)圖像和實(shí)時(shí)信息交互的核心媒介。電致變色（EC）顯示器是一種非發(fā)光型顯示器，由于其超低功耗和在明亮環(huán)境光條件下良好的顯示效果而受到人們的廣泛關(guān)注。近幾年，在EC電極中引入超材料給EC顯示領(lǐng)域帶來了革命性的進(jìn)步，例如實(shí)現(xiàn)寬色域的動(dòng)態(tài)調(diào)控、超快的變色速度等。然而，將超材料單電極發(fā)展到全器件形式仍面臨著重大局限，因?yàn)閭鹘y(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中的其他必要組分，如對(duì)電極和電解質(zhì)等會(huì)顯著影響超材料EC器件中的光傳播、劣化肉眼感知的色彩質(zhì)量。
針對(duì)上述問題，中科院蘇州納米所趙志剛團(tuán)隊(duì)與合作者開發(fā)了一種新的、經(jīng)濟(jì)有效的器件結(jié)構(gòu)，以一種新型多孔超材料來打破傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)的局限。該創(chuàng)新基于構(gòu)筑于多孔Nylon-66薄膜上表面的法布里-珀羅（FP）諧振腔，而電解質(zhì)和對(duì)電極位于多孔Nylon-66薄膜的下表面；相關(guān)EC器件實(shí)現(xiàn)了良好的色彩質(zhì)量，在超表面材料器件化后幾乎沒有亮度下降或色度的變化。需要強(qiáng)調(diào)的是，這種設(shè)計(jì)避免了貴金屬和復(fù)雜的納米制造技術(shù)，在降低成本以及與現(xiàn)有EC制造產(chǎn)線兼容性方面具有巨大的潛力。同時(shí)，得益于這種新的器件設(shè)計(jì)，W/WO3產(chǎn)生的FP干涉與多孔膜中隨機(jī)分布孔隙對(duì)光的多重散射協(xié)同作用相耦合，使所得EC顯示器件具有非虹彩結(jié)構(gòu)色和寬范圍的可視角度。此外，具有優(yōu)秀色彩質(zhì)量的EC器件還能夠?qū)崿F(xiàn)生動(dòng)和快速的電致變色行為，在+3/-3V電壓范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多色彩調(diào)控（＞3種），且完成最大幅度顏色調(diào)制的時(shí)間僅為2.4/2.5 s；同時(shí)器件還擁有極低的功耗（4.0 mW/cm2）和優(yōu)異的循環(huán)性能（至少2000次循環(huán)）。利用高視覺質(zhì)量EC器件制作的25 cm2 EC顯示器，與商業(yè)電子閱讀器比較，在可視角度、色域、波長(zhǎng)調(diào)制幅度、功耗和顏色切換速度等性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
綜上，該工作展示了一種基于多孔Nylon-66薄膜的法布里-珀羅腔EC顯示器的新設(shè)計(jì)，以解決從超材料單電極到全器件過程所面臨的關(guān)鍵難點(diǎn)問題。由于多孔基質(zhì)高孔隙率、高滲透率和多重散射特性，超材料EC器件具有良好的色彩質(zhì)量，與單一電極相比幾乎沒有亮度降低和色度變化，同時(shí)也提供大視角無虹彩，快速切換響應(yīng)，超低功耗和優(yōu)秀的循環(huán)性能。這些令人興奮的結(jié)果為超材料電致變色EC顯示器的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化提供了一種成本效益高、易于擴(kuò)展的設(shè)計(jì)方案。
相關(guān)研究成果以Colorful electrochromic displays with high visual quality based on porous metamaterials為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊Advanced Materials上。論文第一作者為中科院蘇州納米所碩士生李耀武，通訊作者為中科院蘇州納米所叢杉研究員、蘇州大學(xué)能源學(xué)院耿鳳霞教授以及中科院蘇州納米所趙志剛研究員。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院對(duì)外合作項(xiàng)目、蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
圖1. 基于多孔超材料的電極和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2. 器件結(jié)構(gòu)對(duì)反射率和顏色的影響
圖3. 基于多孔超材料的器件在視覺效果方面的優(yōu)勢(shì)
圖4. 基于多孔超材料器件的電致變色性能
圖5. 具有高色彩質(zhì)量的EC顯示器
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