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蘇州納米所蘇文明團(tuán)隊(duì)Nature Communications：一種高透光器件通用策略——膜層材料微結(jié)構(gòu)化

2025-01-15 11:58:13中國科學(xué)院蘇州納米所閱讀量：20296 我要評(píng)論


　　高透光功能器件可以與光學(xué)窗口集成而備受行業(yè)關(guān)注，在“雙碳”時(shí)代，電致變色調(diào)光節(jié)能窗、半透明光伏組件等作為高科技智能材料正成為低碳建筑與新能源汽車的新寵；在顯示領(lǐng)域，抬頭顯透明顯示用于導(dǎo)航、玻璃窗廣告、汽車裝飾星空頂?shù)?；AR/VR智能變色調(diào)光眼鏡、光學(xué)鏡頭等諸多應(yīng)用方向都需要高透光器件或高透光功能膜。
 
　　但很多性能優(yōu)秀的材料是不透光或有顏色的，這類材料可以制備性能優(yōu)異的器件但不能實(shí)現(xiàn)可見光高透；在研制高透光器件時(shí)，往往需要優(yōu)先考慮材料透光性，而這類材料可能其他性能可能不是最佳的，因而最終是犧牲性能下的一種無奈綜合平衡。比如電極材料，金屬是最好的導(dǎo)電材料，但其本身并不透光，只有做到20 nm以下才有一定的可見光透過率。因而在工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)透明電極的主流是ITO膜。因其是氧化物材料，電導(dǎo)率相對(duì)較低，在高透過率下其方阻約在10-100 Ω/□。用于建筑玻璃或汽車玻璃大尺寸產(chǎn)品時(shí)，方阻過大帶來電極上電壓降問題的劣勢(shì)突顯，如大尺寸電致變色產(chǎn)品變色速度慢，變色不均勻、壽命變短等問題。在電致變色等器件中，對(duì)電極功能膜層往往帶有弱的顏色，也會(huì)影響產(chǎn)品的透過率與對(duì)比度等指標(biāo)而很難實(shí)現(xiàn)高端應(yīng)用。
 
　　中國科學(xué)院蘇州納米所印刷電子團(tuán)隊(duì)曾在崔錚研究員領(lǐng)導(dǎo)下結(jié)合納米壓印工藝及印刷填充納米導(dǎo)電銀漿，開發(fā)出了高品質(zhì)微結(jié)構(gòu)周期金屬網(wǎng)格的透明導(dǎo)電膜，解決了高透光與高導(dǎo)電不可兼得的難題，在觸控屏上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，創(chuàng)造產(chǎn)值數(shù)十億，該技術(shù)也榮獲了2014年中國專利金獎(jiǎng)。后續(xù)團(tuán)隊(duì)在蘇文明研究員帶領(lǐng)下，進(jìn)一步創(chuàng)新工藝實(shí)現(xiàn)了高透光下、方阻比ITO小1000倍的銅網(wǎng)格透明導(dǎo)電膜，并在柔性透明電極、透明電磁屏蔽、透明電加熱、透明天線性能方面展示了強(qiáng)大的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。
 
　　近日，中國科學(xué)院蘇州納米所蘇文明研究員團(tuán)隊(duì)與日本沖繩科技大學(xué)院大學(xué)易袁秋強(qiáng)博士等合作，在金屬網(wǎng)格透明電極的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將帶色功能層材料微結(jié)構(gòu)化，用于電致變色、透明超級(jí)電容器和透明鋅電池制備等各種透視型器件提升透明度等光學(xué)性能，并在Nat. Commun. (10.1038/s41467-024-55133-w)上作為透光器件一種通用策略進(jìn)行了報(bào)道。
 
　　在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)以電致變色器件作為主要研究對(duì)象。在電致變色器件結(jié)構(gòu)中，作為離子存儲(chǔ)層的對(duì)電極對(duì)電荷平衡調(diào)節(jié)至關(guān)重要。然而，離子存儲(chǔ)能力強(qiáng)的對(duì)電極材料在器件還原態(tài)下會(huì)形成顏色干擾而嚴(yán)重影響對(duì)比度。團(tuán)隊(duì)利用納米壓印技術(shù)，在高透明的UV膠表面制作高深寬比的周期性網(wǎng)格凹槽結(jié)構(gòu)作為模板。隨后，將納米銀填充到溝槽中，并電鍍鎳完成高導(dǎo)電、高穩(wěn)定性金屬網(wǎng)格透明電極的制備，此時(shí)溝槽為半填滿狀態(tài)，隨后將研制成納米漿料的離子存儲(chǔ)材料填充到電極上方的溝槽中，形成嵌入式離子存儲(chǔ)(embedded ion storage,EIS)網(wǎng)格，占整個(gè)表面約3%～8%的面積，可見光直測(cè)透過率高達(dá) 88%。對(duì)用其制備的電致變色器件色坐標(biāo)監(jiān)測(cè)表明，在充放電過程中微結(jié)構(gòu)化的離子儲(chǔ)存層不影響光的透過率與對(duì)比度。由于三維填充的離子儲(chǔ)存材料有數(shù)微米厚，充分保障了其電荷調(diào)控能力，因而在完全不犧牲器件基本性能的前提下提升了光學(xué)指標(biāo)。
 
　　圖 1. 多層堆疊型嵌入式網(wǎng)格電極的結(jié)構(gòu)示意圖，綠色箭頭表示光線透射整個(gè)電極過程中
 
圖2. EIS網(wǎng)格電極性能表征
 
　　(a) 傳統(tǒng)膜電極和EIS網(wǎng)格對(duì)電極的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)、(c) EIS網(wǎng)格的SEM圖像；(d) PET、銀網(wǎng)格和EIS網(wǎng)格在可見光區(qū)域內(nèi)的透射光譜；(e) 不同電壓下EIS網(wǎng)格在三電極系統(tǒng)中的透射光譜，(插圖：600 nm~700 nm范圍內(nèi)光譜的放大圖)；(f) 不同電壓下，在ITO玻璃上旋涂制備WO3薄膜的透射光譜。(g) 循環(huán)伏安輸入電壓下，EIS網(wǎng)格和旋涂WO3薄膜的透過率變化；(h) EIS網(wǎng)格和旋涂WO3薄膜的循環(huán)伏安曲線；(i) 不同電流密度下EIS網(wǎng)格的恒電流充放電曲線；(j) 計(jì)算得出的面電容
 
圖3. 以EIS網(wǎng)格作為對(duì)電極的電致變色器件性能
 
　　(a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 電致變色器件(有效面積2×2 cm²)和單電極(在2.5×3 cm² ITO玻璃上旋涂ECP-magenta)在著色和褪色狀態(tài)下的光學(xué)照片；(c) ITO玻璃、電致變色單電極和器件在著色和褪色狀態(tài)下的透射光譜；(d) 根據(jù)光譜計(jì)算出的CIE L*a*b*色坐標(biāo)；(e) 器件在不同掃速下的循環(huán)伏安曲線；(f) 器件在550 nm處的2000次循環(huán)測(cè)試(測(cè)試電壓+1.2/-0.4 V，步長(zhǎng)5s)
 
圖4. 電致變色調(diào)光組件的結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試
 
　　(a) 電致變色調(diào)光墨鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 電致變色調(diào)光墨鏡的驅(qū)動(dòng)電路以及單顆紐扣電池為單片鏡片完成整個(gè)電致變色切換過程的耗電量；(c) 電致變色調(diào)光鏡片的透射光譜；(d) 鏡片上三個(gè)不同點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比(1：靠近電極處、2：鏡片居中位置、3：鏡片遠(yuǎn)端位置)；(e) 電致變色調(diào)光墨鏡在著色態(tài)和褪色態(tài)下的光學(xué)照片。
 
圖5. 基于EIS網(wǎng)格的透明電化學(xué)超級(jí)電容器性能　(a) 對(duì)稱超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 光學(xué)照片；(c) 透射光譜；(d) 不同掃速下的循環(huán)伏安特性曲線；(e) 不同電流密度下的恒電流充放電曲線；(f) 計(jì)算得出的面電容
 
圖6. 基于EIS網(wǎng)格的透明鋅電池性能
 
　　(a) 以鋅網(wǎng)格為負(fù)極，EIS網(wǎng)格為正極的鋅電池結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 透明鋅電池在 200 μA/c㎡下的循環(huán)性能，插圖：透明鋅電池在不同循環(huán)次數(shù)下的恒電流充放電曲線(對(duì)應(yīng)灰色曲線-散點(diǎn)圖上的三個(gè)橙色點(diǎn))；(c) 不同掃速下的循環(huán)伏安特性曲線；(d) 不同電流密度下的比容量；(e) 不同電流密度下的庫倫效率；(f) 計(jì)時(shí)器供電系統(tǒng)示意圖(兩個(gè)透明鋅電池為串聯(lián))；(g) 計(jì)時(shí)器供電照片
 
　　以上成果以A general strategy to achieve see-through devices through the micro-structuring of colored functional materials為題發(fā)表在國際知名期刊Nature Communications上。論文第一作者為中國科學(xué)院蘇州納米所胡子首博士，通訊作者為中國科學(xué)院蘇州納米所吳馨洲副研究員、蘇文明研究員和日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)易袁秋強(qiáng)博士、Christine Luscombe教授。該工作受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持，同時(shí)得到了中國科學(xué)院蘇州納米所Nano-X的表征技術(shù)支持。
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