蘇州納米所趙志剛團隊等AM：基于多孔超材料的高視覺質量彩色電致變色顯示器件
現(xiàn)如今顯示器無處不在，是動態(tài)圖像和實時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注。近幾年，在EC電極中引入超材料給EC顯示領域帶來了革命性的進步，例如實現(xiàn)寬色域的動態(tài)調控、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，因為傳統(tǒng)器件結構中的其他必要組分，如對電極和電解質等會顯著影響超材料EC器件中的光傳播、劣化肉眼感知的色彩質量。
針對上述問題，中科院蘇州納米所趙志剛團隊與合作者開發(fā)了一種新的、經(jīng)濟有效的器件結構，以一種新型多孔超材料來打破傳統(tǒng)器件結構的局限。該創(chuàng)新基于構筑于多孔Nylon-66薄膜上表面的法布里-珀羅（FP）諧振腔，而電解質和對電極位于多孔Nylon-66薄膜的下表面；相關EC器件實現(xiàn)了良好的色彩質量，在超表面材料器件化后幾乎沒有亮度下降或色度的變化。需要強調的是，這種設計避免了貴金屬和復雜的納米制造技術，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，得益于這種新的器件設計，W/WO3產(chǎn)生的FP干涉與多孔膜中隨機分布孔隙對光的多重散射協(xié)同作用相耦合，使所得EC顯示器件具有非虹彩結構色和寬范圍的可視角度。此外，具有優(yōu)秀色彩質量的EC器件還能夠實現(xiàn)生動和快速的電致變色行為，在+3/-3V電壓范圍內可以實現(xiàn)多色彩調控（＞3種），且完成最大幅度顏色調制的時間僅為2.4/2.5 s；同時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、波長調制幅度、功耗和顏色切換速度等性能方面具有顯著優(yōu)勢。
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顯示器的新設計，以解決從超材料單電極到全器件過程所面臨的關鍵難點問題。由于多孔基質高孔隙率、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量，與單一電極相比幾乎沒有亮度降低和色度變化，同時也提供大視角無虹彩，快速切換響應，超低功耗和優(yōu)秀的循環(huán)性能。這些令人興奮的結果為超材料電致變色EC顯示器的實際應用和商業(yè)化提供了一種成本效益高、易于擴展的設計方案。
相關研究成果以Colorful electrochromic displays with high visual quality based on porous metamaterials為題發(fā)表于國際知名期刊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、蘇州大學能源學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家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院對外合作項目、蘇州市科技計劃項目的資助。
圖1. 基于多孔超材料的電極和器件結構設計
圖2. 器件結構對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
圖4. 基于多孔超材料器件的電致變色性能
圖5. 具有高色彩質量的EC顯示器
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