【摘要】：電致變色是材料的光學特性(折射率、消光系數(shù)等)在外加電壓的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆變化的現(xiàn)象,在外觀上表現(xiàn)為材料的顏色及透明度發(fā)生改變。電致變色材料是一種新型功能材料,其光學特性調(diào)控范圍并非僅局限在可見區(qū),也包括近紅外、中遠紅外甚至微波區(qū)等。電致變色材料憑借其獨特的光學調(diào)控特性,在信息、電子、能源、建筑以及國防等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景和巨大的產(chǎn)業(yè)價值,受到科學界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。無機氧化物電致變色材料通常具有制備工藝簡單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點,但存在柔性差、響應速度慢、色彩單一的問題,限制了它在高性能柔性器件和全彩色顯示方面的應用。研究表明,構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)(如納米柱、納米棒等)的電致變色材料和薄膜是實現(xiàn)高性能柔性電致變色器件(Electrochromic Devices,ECDs)的有效途徑。該類薄膜具有較大的活性比表面積和有序的離子通道,有利于電解液與電致變色材料的充分接觸,且能大大縮短離子的擴散路徑,從而顯著提高材料的電致變色性能(特別是響應速度)。同時,微納結(jié)構(gòu)也有利于消除膜內(nèi)應力,提高薄膜的機械性能和彎折穩(wěn)定性。本文以經(jīng)典電致變色材料WO_3為研究對象,發(fā)展了掠角蒸發(fā)沉積方法,對薄膜的微結(jié)構(gòu)進行精確調(diào)控,大幅提高了柔性WO_3薄膜的響應速度和彎折穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,針對無機電致變色材料顏色變化單一的關(guān)鍵難題,我們首次通過構(gòu)建單一材料的電致變色布拉格反射鏡(Electrochromic Distribute Bragg Reflectors,ECDBRs),實現(xiàn)了WO_3薄膜的彩色化,并進一步研究了其在可調(diào)諧發(fā)光器件及全彩色穩(wěn)態(tài)顯示方面的應用。本論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)提出采用掠射角蒸發(fā)(Glancing Angle Deposition,GLAD)技術(shù),精確調(diào)控薄膜微觀結(jié)構(gòu)的簡單有效方案,并進一步實現(xiàn)了高性能柔性ECDs。研究表明:WO_3薄膜的形貌、折射率、孔隙率等參數(shù)可以通過簡單的改變蒸發(fā)掠射角(襯底法線與蒸發(fā)源之間的夾角)加以調(diào)控。隨著掠射角的增加,WO_3薄膜微觀結(jié)構(gòu)從致密無序轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米柱有序,且折射率降低、孔隙率增加、比表面積增大、耐彎折性增強。其中,75°掠射角得到的納米柱薄膜具有出色的抗反射性能、優(yōu)異的柔韌性和電致變色性質(zhì)。與致密薄膜相比,納米柱結(jié)構(gòu)薄膜的透過率提高8.4%,平均響應時間顯著縮短(18.6/10.3 s vs.2.1/2.5 s)。同時,納米柱薄膜在彎折1000次后,電致變色性質(zhì)無明顯降低。該研究解決了微觀結(jié)構(gòu)精確控制和傳統(tǒng)器件透過率低、成本高(需要額外抗反射涂層、工藝復雜)的難題,為低成本、高性能、柔性ECDs的構(gòu)筑提供參考。(2)提出利用光子晶體結(jié)構(gòu)色和電致變色雙重效應,構(gòu)筑ECDBRs、調(diào)控材料光學特性的學術(shù)思想,在國際上首次采用單一材料WO_3研制出快速響應的彩色化電致變色薄膜、并成功應用于穩(wěn)態(tài)顯示器件及可逆的電調(diào)諧微腔發(fā)光器件。該ECDBRs由連續(xù)交替沉積的納米柱狀和致密的WO_3薄膜(折射率差為0.41@550 nm)組成。在±1.1 V的電壓下,其反射波長可在寬達72 nm的范圍內(nèi)快速可逆調(diào)控。進一步,通過將其集成到微腔器件中,成功實現(xiàn)了可逆的電調(diào)諧微腔量子點發(fā)光器件。在-0.9 V電壓下,該微腔器件的發(fā)射峰位,峰值強度和半高全寬的最大調(diào)制范圍分別達到15.5 nm,0.8~317%和10.4 nm。其優(yōu)異的發(fā)光可調(diào)諧性能歸功于電刺激誘導WO_3的光學常數(shù)發(fā)生可逆改變,從而調(diào)控微腔器件的發(fā)射模式。該研究不僅為高性能電響應光子晶體的構(gòu)建提供簡單有效的方案,也為實現(xiàn)可調(diào)諧光子/光電子器件提供了新思路。(3)提出采用低折射率、離子傳導特性的多孔LiF與高折射率、致密的電致變色材料WO_3制備ECDBRs,實現(xiàn)快速響應全彩色電致變色穩(wěn)態(tài)顯示器件的新方法。致密WO_3層與多孔LiF層的折射率差高達0.56,保證ECDBRs以更少的層數(shù)獲得更高的反射率,3對薄膜的反射率高達87.8%,優(yōu)于單純的WO_3膜層。同時,LiF層提供大量自由移動的鋰離子,提高顯示器件的響應速度和著色效率。通過對電極進行圖形化,實現(xiàn)快速響應的電致變色穩(wěn)態(tài)顯示器件,器件具有反射顯示和透射顯示能力,且兩種顯示可自由切換。該研究成功克服了傳統(tǒng)ECDs顏色變化單一、響應速度慢的難題,有望發(fā)展成為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代節(jié)能型顯示新技術(shù)。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2
【圖文】：

致變色的實際應用：(a) 電子紙、(b) 電致變色滑雪鏡、(c) 智能窗[42]和色纖維[43]。 1.1 The applications of electrochromic technology: (a) e-paper, (b) electrochgoggles, (c) smart windows and (d) electrochromic fibers.變色材料電致變色性能的材料稱為電致變色材料，按照電致變色材料的機電致變色材料和有機電致變色材料。無機電致變色材料主要物及其衍生物，有機電致變色材料主要包括有機小分子和導電料。無機電致變色材料

鑭系和錒系外的元素周期表。其中不同陰影標注的格子分別表示過渡金的陽極變色材料和陰極電致變色材料[45]。 1.2 Periodic system of the elements except the lanthanides and actinides. Did boxes indicate transition metals with oxides capable of giving cathodic andelectrochromism.3作為一種研究歷史悠久且無處不在的無機電致變色材料引起WO3呈黃色粉末狀，在自然界中以鎢華或者鎢赭石礦物態(tài)存 以外的酸，但易溶于堿金屬氫氧化物的水溶液和堿金屬氫氧化中。WO3晶體具有類似鈣鈦礦的原子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是基于體。W 原子的反鐵電位移和 O 八面體的相互旋轉(zhuǎn)導致了它相鈦礦結(jié)構(gòu)的偏移�；兊拇笮∪Q于溫度，這與大多數(shù)鈣鈦礦

圖 1.3 不同晶型的 WO3的穩(wěn)定溫度范圍[45]。Figure 1.3 Stability temperature domains of the different polymorphs of WO3. 有機電致變色材料

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8 張成林;電致變色玻璃窗[J];建材工業(yè)信息;2001年02期

9 孫寧,趙靈芝,張玉杰;電致變色薄膜研究進展[J];中國陶瓷;1998年05期

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本文編號：2790442