苏州纳米所赵志刚团队等AM：基于多孔超材料的高视觉质量彩色电致变色显示器件

现如今显示器无处不在，是动态图像和实时信息交互的核心媒介。电致变色（EC）显示器是一种非发光型显示器，由于其超低功耗和在明亮环境光条件下良好的显示效果而受到人们的广泛关注。近几年，在EC电极中引入超材料给EC显示领域带来了革命性的进步，例如实现宽色域的动态调控、超快的变色速度等。然而，将超材料单电极发展到全器件形式仍面临着重大局限，因为传统器件结构中的其他必要组分，如对电极和电解质等会显著影响超材料EC器件中的光传播、劣化肉眼感知的色彩质量。

针对上述问题，中科院苏州纳米所赵志刚团队与合作者开发了一种新的、经济有效的器件结构，以一种新型多孔超材料来打破传统器件结构的局限。该创新基于构筑于多孔Nylon-66薄膜上表面的法布里-珀罗（FP）谐振腔，而电解质和对电极位于多孔Nylon-66薄膜的下表面；相关EC器件实现了良好的色彩质量，在超表面材料器件化后几乎没有亮度下降或色度的变化。需要强调的是，这种设计避免了贵金属和复杂的纳米制造技术，在降低成本以及与现有EC制造产线兼容性方面具有巨大的潜力。同时，得益于这种新的器件设计，W/WO₃产生的FP干涉与多孔膜中随机分布孔隙对光的多重散射协同作用相耦合，使所得EC显示器件具有非虹彩结构色和宽范围的可视角度。此外，具有优秀色彩质量的EC器件还能够实现生动和快速的电致变色行为，在+3/-3V电压范围内可以实现多色彩调控（＞3种），且完成最大幅度颜色调制的时间仅为2.4/2.5 s；同时器件还拥有极低的功耗（4.0 mW/cm²）和优异的循环性能（至少2000次循环）。利用高视觉质量EC器件制作的25 cm² EC显示器，与商业电子阅读器比较，在可视角度、色域、波长调制幅度、功耗和颜色切换速度等性能方面具有显著优势。

综上，该工作展示了一种基于多孔Nylon-66薄膜的法布里-珀罗腔EC显示器的新设计，以解决从超材料单电极到全器件过程所面临的关键难点问题。由于多孔基质高孔隙率、高渗透率和多重散射特性，超材料EC器件具有良好的色彩质量，与单一电极相比几乎没有亮度降低和色度变化，同时也提供大视角无虹彩，快速切换响应，超低功耗和优秀的循环性能。这些令人兴奋的结果为超材料电致变色EC显示器的实际应用和商业化提供了一种成本效益高、易于扩展的设计方案。

相关研究成果以Colorful electrochromic displays with high visual quality based on porous metamaterials为题发表于国际知名期刊Advanced Materials上。论文第一作者为中科院苏州纳米所硕士生李耀武，通讯作者为中科院苏州纳米所丛杉研究员、苏州大学能源学院耿凤霞教授以及中科院苏州纳米所赵志刚研究员。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院对外合作项目、苏州市科技计划项目的资助。

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图1. 基于多孔超材料的电极和器件结构设计

图2. 器件结构对反射率和颜色的影响

图3. 基于多孔超材料的器件在视觉效果方面的优势

图4. 基于多孔超材料器件的电致变色性能 

图5. 具有高色彩质量的EC显示器