透明无机多色显示器“横空出世”

原创 长光所Light中心 中国光学

撰稿 | 枫艾杜 博士（中科院过程工程研究所）

01

导读

电致变色显示技术作为一种很有前途的彩色显示技术，一直是人们广泛研究的课题。目前最先进的无机多色电致变色显示器利用了牺牲透明度的纳米结构，然而也限制了其应用的多样性。

图源：Marvel

最近，加拿大阿尔伯塔大学超快光学和纳米光子学实验室（Ultrafast Optics and Nanophotonics Laboratory）的Abdulhakem Y. Elezzabi教授和Dr. Haizeng Li 领导的研究团队，在 Light: Science & Applications 发表论文，该团队首次提出了一种集高透明度和高能效于一体的无机多色显示器的新概念，开发出一种基于锌基电致变色器件的透明无机多色显示器。这种器件能够使顶部和底部电致变色电极独立运行，从而通过利用相同或不同颜色状态下的双电致变色层，为设备提供额外的配置灵活性。

本研究制备的锌基电致变色显示材料是目前最有前途实现高能效、透明、无机多色显示器的关键。

02

背景介绍

近年来，由于其零能耗，同时保持光学透明或彩色状态，电致变色器件在各种应用领域吸引了越来越多的关注，包括智能窗口、显示器和颜色可调光学元件等。特别是，多色电致变色显示器是最通用的应用之一，因为它们可以保持其彩色状态而不需要供电。虽然基于有机分子、聚合物和金属有机框架的电致变色显示器显示出了彩色的特点，但这些材料的热稳定性和化学稳定性低于无机电致变色材料，这些缺点严重阻碍了它们在现实世界中的应用和潜在的商业化。

最近，无机多色电致变色显示器通过结合光子Fabry–Perot纳米腔或等离子铬金属-绝缘体-纳米孔腔，实现了单色WO3薄膜的多色功能，从而在反射模式下这些器件能够支持多色处理。为了实现广泛的应用，一种既具有高光学透明度又能表达颜色状态的器件配置被迫切需求。

值得注意的是，在能源效率方面，上述反射模装置消耗电能，仍需要外部电压来触发染色/漂白过程。虽然该领域仍处于起步阶段，但多色电致变色显示器的电能回收将使该器件具有很高的能源效率，特别是在大面积显示器方面。

除了以纳米为基础的无机多色显示器，颜色叠加策略也是一种更简单的方法。通过叠加不同的颜色层来扩大无机电致变色设备的调色板（例如,颜色叠加)。氧化钒(V2O5)被认为是最有前途的用于多色电致变色显示器的无机材料。据目前所知, 通过使用传统的电致变色设备的配置，钒氧化物只能够实现三种颜色(黄色⇄绿色⇄蓝色)。传统的电致变色设备运行时，计数器层的同时着色限制了颜色叠加的效果。

图1 两种不同类型的电致变色装置的示意图

图源：Light Sci Appl 9, 121 (2020).（Fig.1）

由于V2O5电极既可作为电致变色层也可作为计数器层，因此可以配置如图1 a中所示的配置以消除计数器V2O5电极的同时着色效应。然而，因为V2O5电极的顶部和底部只能在反氧化还原状态下着色，当设备运行时，不同的氧化还原状态下，只有三种颜色能够被实现。该研究展示了一种锌基电致变色器件，是由夹在两个电致变色电极(如WO3、PB)之间的薄锌箔阳极组成(图1 b)。由于WO3和PB薄膜的单色性，这些器件在智能窗口领域显示了巨大潜力。

在这项研究中，我们提出一种新的概念，透明无机多色电致变色显示使用钠离子稳定的氧化钒(SVO)纳米棒作为电致变色材料。虽然钠离子的掺杂可以提高锌离子电池中SVO的电导率研究很多，但到目前为止，还没有关于SVO用于电致变色装置的报道。目前最先进的基于钒的电致变色显示研究集中在开发纳米结构的氧化钒(例如V2O3, V3O7, V2O5)，而没有太多关注潜在的电致变色材料，如SVO。当与纤维素混合时，SVO纳米棒与制造电致变色薄膜的简单棒形涂布法兼容。由于SVO的氧化性质，添加的纤维素可以在200℃的低温下充分分解避免了其对电导率的影响。

锌-钠-氧化钒(Zn-SVO)电致变色显示器是将Zn夹在两个SVO电极之间组装而成，它们可以在多种颜色(橙色、琥珀色、黄色、棕色、黄绿色)之间可逆切换，同时保持高光学透明度。这些Zn-SVO电致变色显示器代表了迄今为止最彩色的透明无机材料基电致变色显示器。此外，Zn-SVO电致变色显示器具有1.56 V的开路电位(OCP)，这使得其具有自显色行为和引人注目的能量恢复功能。第一次展示透明无机多色显示器有三种以上的颜色，多色特性和能量回收功能有望成为加速未来高能效电致变色显示器发展的重要催化剂。

03

创新研究

SVO电极是采用棒形涂布法通过涂敷一种精心设计的环保型SVO/纤维素浆料制备。顶部和底部的电致变色电极可以在相同或不同的氧化还原状态下独立地运行，从而使颜色叠加效果大大拓宽调色板范围。此外，相比传统电致变色装置的运行需要外部电压来触发着色/褪色的过程，值得注意的是，这种新型的锌基电致变色装置结构能够通过其内置的电池电源而不需要外部能量输入来实现自显色，从而能够部分回收褪色过程中消耗的电能。

图2 SVO纳米棒的表征

图源：Light Sci Appl 9, 121 (2020).（Fig.2）

具体来说，SVO电极伴随着Zn2+嵌入(自着色/放电)和提取(褪色/充电)实现可逆的颜色切换(橙色⇄黄色⇄绿色),且拥有高的光学透明度。三种固有的橙色、黄色和绿色被用作基本色发展多色Zn-SVO电致变色,通过两段SVO电极的彩色叠加效果来实现的。构建的电致变色显示器在多种颜色(橙色、琥珀色、黄色、棕色、黄绿色)之间切换，并回收部分消耗的能量。

图3调色板加宽的Zn-SVO电致变色显示器的设计和性能

图源：Light Sci Appl 9, 121 (2020).（Fig.5）

04

结论与展望

该研究的关键特性是对现有电致变色显示器的重大改进，使Zn-SVO电致变色显示器在可切换滤光片、电致变色可调谐微光学和透明显示器方面很有前景。实现的器件代表了电致变色显示器的一个新范例，可能促进新一代电致变色显示器的发展。

文章信息

加拿大阿尔伯塔大学电气与计算机工程系的超快光学和纳米光子学实验室的Abdulhakem Y. Elezzabi教授和Haizeng Li博士为本文通讯作者，相关成果以Transparent inorganic multicolour displays enabled by zinc-based electrochromic devices为题，发表在 Light: Science & Applications 。

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-020-00366-9

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原标题：《透明无机多色显示器“横空出世”》

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