[科普中國]-電致變色

電致變色是材料的光學屬性（反射率、透過率、吸收率等）在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。具有電致變色性能的材料稱為電致變色材料，用電致變色材料做成的器件稱為電致變色器件。

簡介電致變色是材料的光學屬性（反射率、透過率、吸收率等）在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。具有電致變色性能的材料稱為電致變色材料，用電致變色材料做成的器件稱為電致變色器件。

電致變色材料一個很好的例子是聚苯胺，聚苯胺可以通過電化學過程或者苯胺的化學氧化過程來形成。 如果把電極浸入含有低濃度苯胺的鹽酸溶液中， 在電極上就會產(chǎn)生聚苯胺薄膜。根據(jù)不同的氧化態(tài)，聚苯胺可以呈現(xiàn)為淺黃色或者深綠/黑色。其它找到技術(shù)應(yīng)用的電致變色材料包括紫羅堿和en:polyoxotungstate。更多的電致變色材料包括氧化鎢(WO3)，它的主要化學用途是制作電致變色窗或者智能窗。

由于顏色改變的持久穩(wěn)固且僅在產(chǎn)生改變時需要能量，電致變色材料被用于控制允許穿透窗戶（"智能窗"）的光和熱的總量，也在汽車工業(yè)中應(yīng)用于根據(jù)各種不同的照明條件下自動調(diào)整后視鏡的深淺。紫羅堿和二氧化鈦（TiO2）一起被用于小型數(shù)字顯示器的制造。它很有希望取代液晶顯示器，因為紫羅堿（通常為深藍）與明亮的鈦白色有高對比度，因此提供了顯示器的高可視性。

電致變色智能玻璃在電場作用下具有光吸收透過的可調(diào)節(jié)性，可選擇性地吸收或反射外界的熱輻射和內(nèi)部的熱的擴散，減少辦公大樓和民用住宅在夏季保持涼爽和冬季保持溫暖而必須消耗的大量能源。同時起到改善自然光照程度、防窺的目的。解決現(xiàn)代不斷惡化的城市光污染問題。是節(jié)能建筑材料的一個發(fā)展方向。 電致變色材料具有雙穩(wěn)態(tài)的性能，用電致變色材料做成的電致變色顯示器件不僅不需要背光燈，而且顯示靜態(tài)圖象后，只要顯示內(nèi)容不變化，就不會耗電，達到節(jié)能的目的。電致變色顯示器與其它顯示器相比具有無視盲角、對比度高等優(yōu)點。 用電致變色材料制備的自動防眩目后視鏡，可以通過電子感應(yīng)系統(tǒng)，根據(jù)外來光的強度調(diào)節(jié)反射光的強度，達到防眩目的作用，使駕駛更加安全。 電致變色智能玻璃能以較低的電壓（2-5V）和較低的功率調(diào)節(jié)汽車、飛機內(nèi)部的光線強度，使旅途更加舒適。 目前，電致變色調(diào)光玻璃已經(jīng)在一些高檔轎車和飛機上得到應(yīng)用。1

電致變色材料電致變色材料分為無機電致變色材料和有機電致變色材料。無機電致變色材料的典型代表是三氧化鎢，目前，以WO3為功能材料的電致變色器件已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。而有機電致變色材料主要有聚噻吩類及其衍生物、紫羅精類、四硫富瓦烯、金屬酞菁類化合物等。以紫羅精類為功能材料的電致變色材料已經(jīng)得到實際應(yīng)用。

電致變色層是電致變色器件的核心層,也是變色反應(yīng)的發(fā)生層。電致變色材料按照類型可分為無機電致變色材料和有機電致變色材料。

無機電致變色材料無機電致變色材料多為過渡金屬氧化物或其衍生物,第一次發(fā)現(xiàn)的電致變色現(xiàn)象就是無定形WO3薄膜的變色。過渡金屬、電子層不穩(wěn)定,有未成對的單電子存在。過渡金屬元素的離子一般都有顏色,且基態(tài)與激發(fā)態(tài)能量差較小,在一定的條件下價態(tài)發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變,形成混合價態(tài)離子共存狀態(tài)。隨離子價態(tài)和濃度的變化,顏色也會發(fā)生相應(yīng)的變化,這就是過渡金屬氧化物具備電致變色能力的原因。常見的無機變色材料根據(jù)其發(fā)生氧化還原的原理不同,又可以細分為陽極著色材料和陰極著色材料.

陰極變色材料主要是ⅥB族金屬氧化物。作為陰極變色材料的典型代表, WO3薄膜是人們發(fā)現(xiàn)最早的,也是研究最為詳盡的。WO3的變色過程復雜,其機理一直存在爭論,雙注入模型即Faughnan模型是目前被普遍接受和應(yīng)用的模型。該模型認為WO3薄膜的電致變色機理是在變色過程中由于電場的作用,陽離子和電子雙注入WO3晶格空隙后產(chǎn)生含W的產(chǎn)生被認為是其變色的原因。

陽極變色材料主要是Ⅷ族及Pt族金屬氧化物或水合物。其中NiO因具有較大的著色/漂白變色范圍、較長的循環(huán)壽命及原料豐富、價格適宜等優(yōu)點而成為一種研究最多的陽極變色材料。氧化鎳是一種具有NaCl結(jié)構(gòu)的3d過渡金屬氧化物，晶體中會出現(xiàn)鎳空位或過氧的情況，這導致氧化鎳成為一種p型半導體。因此氧化鎳晶體中經(jīng)常會出現(xiàn)空位、缺陷以及摻雜的情況。雙注入模型不能很好地解釋NiO的變色過程，至今NiO薄膜的變色機理仍有很多爭議。

有機電致變色材料有機電致變色薄膜種類相對較多，可以分為有機小分子電致變色材料和導電聚合物電致變色材料兩大類。

有機小分子變色材料的典型代表就是紫羅精類化合物，該類物質(zhì)在氧化還原過程中會出現(xiàn)顏色變換，所以又屬于氧化還原型化合物。一般情況下，中性態(tài)紫羅精類化合物由于自身結(jié)構(gòu)特殊性?分子內(nèi)部電子遷移受到禁阻，因此顏色較淺。隨著施加電位的提高，中性態(tài)結(jié)構(gòu)逐漸向部分氧化態(tài)轉(zhuǎn)變，最終生成穩(wěn)定的二價陽離子形式，該狀態(tài)下呈現(xiàn)無色。由于分子間存在強烈的光電轉(zhuǎn)移，使得單價陽離子顏色最深。

導電聚合物電致變色材料是20世紀70年代新發(fā)展起來的一類物質(zhì)。白川英樹等發(fā)現(xiàn)導電聚乙炔以來，得到了飛快的發(fā)展。,20世紀80年代以來，隨著共軛高聚物經(jīng)小分子摻雜而顯示出很高的導電性并且出現(xiàn)電致變色現(xiàn)象以后，導電聚合物作為電致變色材料便很快發(fā)展起來。該類物質(zhì)因具有費用低、光學質(zhì)量好、顏色轉(zhuǎn)換快、循環(huán)可逆性好等優(yōu)點而受到重視。導電聚合物變色的原理主要是其摻雜過程，摻雜的實質(zhì)是離子等在高分子鏈中的遷入與遷出行為，同時伴隨著電子的得失，因此導電聚合物的摻雜過程是一個氧化還原可逆過程。在摻雜的過程中引發(fā)了分子導帶與價帶之間的躍遷，包括極子能級、孤子能級、雙極子能級、電子的不同能級躍遷，使光譜發(fā)生不同的變化。在一定范圍內(nèi)控制電壓來決定摻雜程度，從而導致可見光區(qū)的吸收不同，顯示出顏色的變化，就發(fā)生了電致變色現(xiàn)象。1

工作原理電致變色材料在外加電場作用下發(fā)生電化學氧化還原反應(yīng)，得失電子，使材料的顏色發(fā)生變化。

典型結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)從上到下分別為：玻璃或透明基底材料、透明導電層（如：ITO）、電致變色層、電解質(zhì)層、離子存儲層、透明導電層（如：ITO）、玻璃或透明基底材料。

器件工作時，在兩個透明導電層之間加上一定的電壓，電致變色層材料在電壓作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，顏色發(fā)生變化；而電解質(zhì)層則由特殊的導電材料組成，如包含有高氯酸鋰、高氯酸納等的溶液或固體電解質(zhì)材料；離子存儲層在電致變色材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)時起到儲存相應(yīng)的反離子，保持整個體系電荷平衡的作用，離子存儲層也可以為一種與前面一層電致變色材料變色性能相反的電致變色材料，這樣可以起到顏色疊加或互補的作用。如：電致變色層材料采用的是陽極氧化變色材料，則離子存儲層可采用陰極還原變色材料。1

技術(shù)應(yīng)用電致變色智能玻璃在電場作用下具有光吸收透過的可調(diào)節(jié)性，可選擇性地吸收或反射外界的熱輻射和內(nèi)部的熱的擴散，減少辦公大樓和民用住宅在夏季保持涼爽和冬季保持溫暖而必須消耗的大量能源。同時起到改善自然光照程度、防窺的目的。解決現(xiàn)代不斷惡化的城市光污染問題。是節(jié)能建筑材料的一個發(fā)展方向。

電致變色材料具有雙穩(wěn)態(tài)的性能，用電致變色材料做成的電致變色顯示器件不僅不需要背光燈，而且顯示靜態(tài)圖象后，只要顯示內(nèi)容不變化，就不會耗電，達到節(jié)能的目的。電致變色顯示器與其它顯示器相比具有無視盲角、對比度高等優(yōu)點。

用電致變色材料制備的自動防眩目后視鏡，可以通過電子感應(yīng)系統(tǒng)，根據(jù)外來光的強度調(diào)節(jié)反射光的強度，達到防眩目的作用，使駕駛更加安全。

電致變色智能玻璃能以較低的電壓（2-5V）和較低的功率調(diào)節(jié)汽車、飛機內(nèi)部的光線強度，使旅途更加舒適。 目前，電致變色調(diào)光玻璃已經(jīng)在一些高檔轎車和飛機上得到應(yīng)用。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學院工程熱物理研究所