近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員金平實(shí)、曹遜團(tuán)隊(duì)與特聘研究員孫宜陽(yáng)、上海大學(xué)教授羅宏杰、澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)教授John Bell以及中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院合作，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)維度，首次提出利用質(zhì)子中繼式傳輸在WO₃電致變色材料中實(shí)現(xiàn)高著/褪色比的快速切換，并成功制備出超快響應(yīng)的全固態(tài)電致變色器件，突破了響應(yīng)速度慢導(dǎo)致的應(yīng)用局限，拓展了應(yīng)用領(lǐng)域。該工作將器件的響應(yīng)時(shí)間降低至1s以下（0.7s），顯著降低了作為電子器件的功耗，進(jìn)一步推動(dòng)低功耗穩(wěn)態(tài)顯示器件的應(yīng)用進(jìn)程。 

　　氧化鎢（WO₃）因其優(yōu)異的性能而成為目前應(yīng)用最廣泛的電致變色材料。WO₃的電致變色過(guò)程主要是基于W元素的可逆變價(jià)以及陽(yáng)離子（H⁺, Li⁺, Na⁺,Al³⁺等）的可逆嵌入和脫出來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，嵌入和脫出陽(yáng)離子是影響材料著色速度和循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在眾多陽(yáng)離子中，質(zhì)子（H⁺）相比于其他陽(yáng)離子具有更小的離子半徑和更快的遷移速度（如圖1a所示），在電致變色嵌入和脫出過(guò)程中具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是，質(zhì)子往往存在于液體電解質(zhì)中而無(wú)法很好集成在固態(tài)電致變色器件中。研究發(fā)現(xiàn)，一些固態(tài)有機(jī)聚合物如PEDOT:PSS等可以在電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)質(zhì)子的快速遷移。基于該發(fā)現(xiàn)，研究人員首次引入可實(shí)現(xiàn)氫離子快速遷移的有機(jī)物（PEDOT:PSS）作為固態(tài)質(zhì)子源，并與WO₃電致變色層復(fù)合設(shè)計(jì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電致變色層，研究發(fā)現(xiàn)在5/8 s的短脈沖刺激下仍能有效著/褪色（如圖1b所示）。然而這種著/褪色的過(guò)程受限于有限的質(zhì)子供應(yīng)，其變化僅為約15%，還不能體現(xiàn)器件的全部性能。基于此，研究人員又進(jìn)一步提出插入一層Na⁺離子源，促進(jìn)H⁺高效釋放（如圖1c所示）。電壓驅(qū)動(dòng)下Na⁺進(jìn)入PEDOT:PSS層，著色程度顯著加深。第一性原理計(jì)算也為上述質(zhì)子中繼式遷移機(jī)制提供了理論證據(jù)。 

　　研究人員進(jìn)一步制備了全固態(tài)電致變色器件并評(píng)估綜合性能，發(fā)現(xiàn)基于該結(jié)構(gòu)的電致變色器件在著色過(guò)程中具有高對(duì)比度（在650 nm處達(dá)到90%）、超快的響應(yīng)速度（0.7 s內(nèi)著色至90%，0.9 s內(nèi)褪色至65%，7.1 s內(nèi)褪色至90%）、良好的著色效率（在670 nm處達(dá)到109 cm² C^-1）和出色的循環(huán)穩(wěn)定性（3000次循環(huán)后，著褪色對(duì)比度降低小于10%）。此外，研究人員還將該設(shè)計(jì)方案拓展至大面積全固態(tài)電致變色器件（30×40 cm²）和柔性器件（10×10 cm²）。 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）上。論文共同第一作者是上海硅酸鹽所光熱調(diào)控智能材料課題組博士生邵澤偉、博士黃愛(ài)彬和集成計(jì)算材料研究中心博士明辰，通訊作者是曹遜、孫宜陽(yáng)和羅宏杰。該研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、ANSO國(guó)際合作專項(xiàng)、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和上海市科委等項(xiàng)目的資助和支持。 

　　論文鏈接 

　　圖1 中繼式質(zhì)子傳輸電致變色器件結(jié)構(gòu)示意圖 

　　圖2 新型電致變色器件的性能表征結(jié)果 

　　圖3 新型電致變色器件的大面積和柔性制備