蘇州納米所趙志剛團(tuán)隊(duì)Nature Communications: 在諧振腔中利用定向離子遷移策略實(shí)現(xiàn)寬波段解耦調(diào)控
在智能光熱管理和多波段光譜調(diào)控等前沿領(lǐng)域中，亟須對(duì)電磁波譜中可見光和長(zhǎng)波紅外等非相鄰波段進(jìn)行獨(dú)立控制。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)電致變色體系中，可見光顏色和紅外發(fā)射率的調(diào)控往往是同步的、相互耦合的，這極大地限制了其在光熱管理等復(fù)雜場(chǎng)景下的應(yīng)用。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型光譜解耦調(diào)節(jié)器（SDR），它基于可電化學(xué)重構(gòu)的雙層諧振腔結(jié)構(gòu)，分別采用對(duì)離子響應(yīng)特性不同的材料作為介電層和反射層。通過(guò)調(diào)控電壓，實(shí)現(xiàn)離子定向遷移至不同功能層，調(diào)控材料光學(xué)屬性，從而分別調(diào)控可見光顏色與紅外發(fā)射率，達(dá)到“可見色-紅外發(fā)射率自由組合”的效果。
研究人員選用氧化鎢（WO3）作為上層介電層/可見顏色調(diào)控功能層，并保持對(duì)長(zhǎng)波紅外透過(guò)；選擇梯度致密化碳納米管薄膜作為下層反射層/紅外調(diào)控功能層。靜態(tài)時(shí)，氧化鎢和梯度致密化碳膜的反射表面構(gòu)成布里-珀羅（FP）諧振腔，可以形成豐富的結(jié)構(gòu)色（黃、橙、紅、紫、藍(lán)、青、綠等）；當(dāng)施加電壓時(shí)，利用離子穿過(guò)梯度致密化碳膜內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)到達(dá)不同功能層的電化學(xué)過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)顏色的大幅度且精細(xì)調(diào)控（紅色→橙色→綠色等），可實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射率的大幅度調(diào)控（Δ?LWIR =0.57）。有趣的是這兩個(gè)過(guò)程相互獨(dú)立，從而使單一表面可見光和熱紅外特征的解耦調(diào)控和自由組合成為可能。文章對(duì)上述現(xiàn)象背后的機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)兩種功能層對(duì)離子響應(yīng)的特性不同，其發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間有著數(shù)量級(jí)的差別。例如，可見光顏色切換時(shí)間（著色/褪色）約為10.1 s /3.0 s，而紅外發(fā)射率的高/低調(diào)制切換時(shí)間則在毫秒量級(jí)（342 ms/132 ms）內(nèi)完成，因此在保持任一可見光顏色的同時(shí)，可獨(dú)立調(diào)控其紅外輻射率，反之亦然。
此項(xiàng)研究成果在實(shí)現(xiàn)可見光和紅外波段的“按需組合”方面邁出了關(guān)鍵一步，展示了在可見光/熱紅外光譜調(diào)控、多光譜信息加密編碼顯示器件和新型光學(xué)皮膚等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
相關(guān)研究成果以Spectral decoupling regulation through targeted ion migration in electro-optical resonators為題發(fā)表于Nature communications。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所博士生李敏和李耀武，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所叢杉研究員、胡東梅研究員與趙志剛研究員。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目、蘇州市產(chǎn)業(yè)前瞻與關(guān)鍵核心技術(shù)等項(xiàng)目的支持。
圖1 光譜解耦調(diào)節(jié)器（SDR）的概念和結(jié)構(gòu)
圖2 SDR器件的可見電致變色性能
圖3 SDR器件的紅外電致變色性能
圖4 SDR器件的電化學(xué)機(jī)制和光譜解耦調(diào)節(jié)性能
圖5 SDR器件的應(yīng)用展示
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