上硅所曹逊团队实现透明-反射双模式多色调控全固态电致变色器件

基于电致变色器件（ECDs）结构的显示器因具有能耗低、可视化便捷、易查看、可弯曲性可延展性等优点，相比于目前商业化的液晶和发光二极管等发光显示器，电致变色显示器没有蓝光，对人眼更加友好。无机全固态ECDs因其良好的化学稳定性、高光学调制速率和优异的工艺兼容性，在工业领域有着重要的应用价值。然而，其单色特性限制了它在显示领域的发展。如何在无机全固态ECDs上实现动态颜色可调的，是当今材料科学研究的一个前沿和热点，这种彩色无机全固态ECDs未来也将在广告、信息传输和防伪等领域具有巨大的应用潜力。

中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员带领团队基于光学干涉原理，通过光学精准设计、模拟与计算，研制了一种复合电极结构，该复合电极结构内部的光学腔可使入射光发生干涉和衍射，从而呈现出彩虹般的鲜艳色彩。在此基础上，研究团队开发了一种WO₃基彩色全固态电致变色器件（ECDs），具有透明-反射两种不同的切换模式。该器件采用介质-金属-介质（DMD）复合电极，其器件结构为ITO/Ag/ITO/Ag/ITO/WO₃/LiTaO₃/NiOₓ/ITO/玻璃。在该结构中，Li⁺插入WO₃晶格中，导致器件透射率逐渐降低，透射光减弱，反射光增强，器件从透射模式切换至反射模式，颜色也从透射色变为反射色。当施加负电压时，Li⁺脱出并传输至器件恢复至透射状态，颜色还原为透射色。若在器件后方添加黑色背景，器件可直接切换为反射模式。简言之，通过控制透射光强度可调节器件的模式与颜色。

图1. DMD全固态ECDs。（a）基于DMD全固态电致变色器件子像素的电致变色像素显示器，适用于未来的广告牌。（b）电致变色像素显示器的结构（由电极、电致变色像素和外部电路组成）。（c）DMD电极材料的放大结构。

这种具有透明-反射双模式的彩色全固态ECDs，可使用室内和室外两种不同场景下的显示。同时，基于多层膜堆叠结构使得该器件具有成本低、可扩展性强的优点，适合大规模生产。

图2. DMD全固态ECDs双模式切换及颜色变化示意图

团队分别制备了红色、绿色和蓝色（透射蓝、红、绿）的彩色全固态ECDs，这些器件具有高亮度、良好的显色性、优异的电致变色性能。此外，利用电致变色层的可调光学常数以及加色混合原理，仅需±1.5 V的最小偏置电压，就能实现高达11.58%的超宽色域，这显著拓宽了全固态电致变色器件的色域边界，是显色性能方面的重大突破。该器件具有优异的电致变色性能、出色的循环稳定性（至少5600次循环）和低功耗（3.8 mW cm⁻²）。可应用于广告牌等大尺寸显示应用领域，在信息传输和防伪领域也具有广阔的应用前景。该工作为解决无机全固态ECDs的色域窄的难题提供了新的思路，打破了其色域限制，同时，双模式设计使其成为‘多场景显示’的候选技术，为电致变色低功耗智能窗口显示开辟新路径。

图3. DMD彩色全固态ECDs的彩色显示及防伪应用。a）不同模式下彩色玫瑰图案。b）带有字母和数字标记的器件在户外和D65光箱中两种不同模式的变化情况。

相关研究成果以“Transparent-To-Reflective Multicolor All-Solid-State Electrochromic Devices for Next-Generation Intelligent Display Windows”为题发表在Advanced Materials上。上海硅酸盐研究所硕士研究生郭健康和上海硅酸盐所博士毕业生贾汉祥为论文共同第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金等项目的资助和支持。

论文信息：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202500350