苏科大叶常青团队AFM：结构色增强电致变色器件策略与应用

1.研究背景：

电致变色器件（Electrochromic Device, ECD）可在电调控下发生可逆的氧化还原反应，伴随吸收、反射、透射等光学行为变化，可广泛应用在显示、智能窗户等领域。然而，传统ECD具有颜色变化单调、响应时间长、寿命差等缺点，严重影响其实际应用。

结构色，也叫做物理色，是光和周期性微纳结构相互作用产生的结果，例如折射、反射、干涉、衍射、吸收、散射、等离子体共振等。近年来，科研人员将不同的周期性微纳结构，例如光栅、薄膜、光子晶体、等离子超表面等引入传统ECD，获得具有结构色特点的新型ECD。结构色ECD展现出增强的颜色变化，有望实现全色调控，且多孔结构可有效促进离子运输加快响应速度。

2.文章简介：

根据上述背景，苏州科技大学叶常青教授团队总结了结构色ECD在构筑策略和应用方面的最新研究进展。我们在这篇综述中首先介绍了ECD常用的评价参数和微纳结构产生结构色的原理，然后从光栅、薄膜、光子晶体、等离子体超表面和复合结构这五个方面重点介绍结构色ECD研究进展和显示应用（包括彩色显示器、伪装、超级电容器、电池、电子纸等），最后对结构色ECD的挑战和机遇进行了讨论。我们相信这篇综述一定会为ECD未来的发展和应用提供有价值的信息和方向。该综述“Structural Color Boosted Electrochromic Devices”发表于Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202311845）。苏州科技大学的叶常青课教授和中科院化学所的宋延林研究员为论文的通讯作者，苏州科技大学的李琳博士和硕士生俞朱敏为论文的第一作者。

图1 结构色电致变色器件:策略与应用

3.研究内容：

本文综述了近年来结构色ECD在构筑策略和应用方面的进展。根据微纳结构的种类，结构色ECD的构筑策略可分为光栅、薄膜、光子晶体、等离子体超表面和复合微纳结构等。结果表明，结构色的引入能够显著提高ECD的各项电致变色性能，尤其是显色方面。

图2 光栅用于ECD的构筑策略。

图3 薄膜干涉用于ECD的构筑策略。

图4 光子晶体用于ECD的构筑策略。

图5 等离子超表面用于ECD的构筑策略。

图6 复合微纳结构用于ECD的构筑策略。

电化学电位的变化会引发电致变色材料发生氧化还原反应，引起电致变色材料的吸收、透过率、反射率的变化，用于显示信息。目前，分段显示和像素化显示这两种显示原型被广泛研究。由于电致变色具有低能耗、户外可读性、视觉友好性以及可获得性、可折叠性、可扩展性和透明性等优点，EC显示器作为典型的非发射（无源）显示器越来越受到低频节能显示器的青睐。理想的EC显示器应具有快速响应速度（用于信息呈现）、高光学对比度（用于阅读体验）、出色的稳定性和耐用性（用于器件寿命）。然而，由于缺乏令人满意的高质量器件，目前还没有商业化的全彩电致变色显示器。有限的显色范围和亮度以及缓慢的切换速度严重阻碍了传统ECD用于显示器的商业化。将周期微纳结构的结构色与传统ECD的电致变色行为相结合，是实现高对比度、快速响应的彩色动态调制的有效途径。

图7 结构色ECD用于分段式显示。

图8结构色ECD用于像素化显示。

4.结论与展望：

将周期性微纳结构引入ECD，利用结构色和电致变色的协同效应，是提高ECD性能的有效策略。改变微纳结构的组成材料和几何参数，可以有效调控结构色ECD的色度、亮度、开关速度、对比度、稳定性和寿命等。结构色ECD的正朝着色域丰富、面积大、功能多、智能、可印刷性的发展趋势发展。然而，仍有一些问题有待解决，需要从以下几个方面开展。1）微纳结构的组成材料与传统ECD所用材料的相容性；2）为了进一步开发结构色效果，需要具有高折射率调制的材料；3）为了全固态结构色ECD的实际应用中，需要简单、低成本、柔性和易于大面积生产的微纳结构制备工艺；4）将结构色ECD与当前新兴技术（例如柔性/可穿戴电子产品、传感器、人机交互器件和物联网等）相结合，获得多功能结构色ECD。

5.致谢：

感谢国家自然科学基金(51873145)，江苏省自然科学基金（BK20231344），江苏省自然科学基金优秀青年基金项目(BK20170065)，江苏省六大人才高峰项目(XCL-79)，江苏省第五期333工程项目(BRA2018340)，江苏省青蓝工程项目的资助。

作者简介:

李琳：苏州科技大学材料科学与工程学院，讲师。主要研究方向：1.液晶材料的设计合成、性能和应用研究。2.微纳光电器件的构筑和应用研究。3.（手性）自组装体系的构筑、调控和应用研究。主持江苏省自然科学青年、面上基金项目。以第一作者身份在 Nature Communication、Angew. Chem, Int. Ed.、Small等期刊发表多篇论文。

叶常青：苏州科技大学材料科学与工程学院教授、副院长。主要研究方向：1.有机上转换材料制备与性能研究。2.光子晶体的制备与应用研究。3.光电功能材料与器件。入选江苏省“333工程”中青年学术技术带头人、江苏高校青蓝工程中青年学术带头人、江苏省自然科学基金优秀青年基金资助以及江苏省“六大人才高峰”C类资助等，主持国家自然科学基金2项、江苏省科技厅和教育厅基金3项。以第一作者或通讯作者在 Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.、J. Am. Chem. Soc.等期刊发表SCI论文50余篇。

宋延林：中国科学院化学研究所研究员、博士生导师，中科院化学研究所绿色印刷重点实验室主任。主要从事信息功能材料、光子晶体与应用和绿色打印印刷材料与技术研究。已在国际知名刊物上发表400余篇论文，被引用19,000余次，并多次被 Science, Nature等作为研究亮点报道；主持和参加编写专著12部；获授权中国发明专利100余项，美国、日本、欧盟、韩国等授权发明专利26项。获得国家级和省部级多个奖励及荣誉称号，包括国家自然科学二等奖、科技部中青年科技创新领军人才、中国科协求是杰出青年成果转化奖、毕昇印刷技术奖、中华印制大奖及全国优秀科技工作者等。

来源：高分子科学前沿

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