无机电致变色材料反射特性研究进展

无机电致变色材料反射特性研究进展
摘要：近几年，由于采用了特殊的合成工艺和结构设计，使得无机变色材料
的反光性能得到了越来越多研究者的关注。

从无机电致变色材料的反射性质入手，对其在可见、近红外至中远红外波段的反射光谱调节技术进行了较为详尽的论述。

在可见波段，通过五氧化二钒掺杂化合物的制备、维光子晶体的微观结构、法布
里-珀罗纳米腔结构以及局部表面的等离子共振来调节反射性质。

在红外波段，
采用德鲁德自由电子气体等理论，采用氧化钨粉等物质进行分子振动吸收，并结
合其它原理，进行了红外反射电致变色器件的研制。

关键词：电致变色；反射特性；无机电
引言：
电致变色是指在外加电场作用下，材料的透射率、反射率、吸收率等光学性
能发生变化的过程。

在1969年， Debl第一次展示了 WO；是一种可变色的电致
变色元件。

近年来，国内外对电致变色材料的研究逐渐深入，特别是全无机薄膜
结构的全固态电致变色器件成为近年来的热点。

现已具备相当规模的电致变色设
备研发能力，如 SAGE电气股份有限公司、 View In、浙江上方电器有限公司等。

1无机电致变色材料反射特性研究内容
1.1阴极电致变色材料
电致变色材料是一类在高温氧化时为无色物质，在低还原态时为着色的电致
变色材料。

目前已有许多关于 WO,Mo0,Ti0,Ti0等方面的研究。

Zhou等采用水热、电沉积技术，研制出一种在负压下呈现深蓝、电压为正的 WO核壳纳米线膜，并
能迅速变色，且能快速变色。

此外， Zhou等还采用硫酸铵水热法制备了 Mo掺
杂 WO纳米线的薄膜，结果表明，在900~1800 m的距离下，其透过率比纯W0大，并有显著的改善，但其循环稳定性较差。

1.2阳极电致变色材料
阳极电致变色材料是一种在高温氧化条件下能上色的物质，而在低浓度时则为无色的物质。

Ni0和普鲁士蓝在国内外已有较多的研究。

Xia等采用化学浴、溶胶-凝胶等技术，在IT0型导电玻璃表面制备了疏松、均匀、均匀的Ni0膜。

利用恒流沉积技术，在 ITO型导电玻璃上制作出普鲁士蓝薄膜，发现其在700 nm波长处的透射率调节范围最大，并且能够迅速地进行变色和退色。

1.3复合电致变色材料
目前，不同的电致变色材料都有其自身的缺点，很难获得优良的电致变色特性。

Wei等采用化学淀积方法，在Ni0/V20的基础上，获得了具有纳米孔隙的
Ni0/V20。

与单 V、0相比，复合电致变色薄膜的循环稳定性、宽的调光区、高着色性，均因Ni0纳米片的结构而得到改善。

利用溶胶-凝胶法， Yuan等对镍-氧化钛进行了合成，发现其在使用寿命、变色速度、记忆性能、循环稳定性方面都优于单独使用。

Kang等将水热和电淀积技术相结合，制备出了Ti0/Mo0复合膜，其开关时间、循环可逆性、光调制和染色效率均优于单膜。

2无机电致变色材料在可见波段的反射特性研究与进展
在可见波段，电致变色材料的色彩改变是非常关键的。

电致变色材料作为一种新型的双稳态器件，在静态显示中有着良好的应用前景。

同时，它还具有典型的由黄向绿过渡的特性，在隐身材料方面也有很好的应用前景。

无机电致变色多色转换一般是由掺杂V2Os的材料和构造的微观结构来完成的。

2.1基于V2Os的电致变色材料反射特性研究
V2Os是一类在过渡金属氧化物中广泛使用的电致变色材料。

在 xy平面上，有一个与 VO相邻的空间。

八面体共线，在 z轴上，利用VO6八面体的共点法，使 VO键与 VO键之间的结合成为可能。

低体积的离子被埋入到 z轴中，表现出电致变色的特征。

在离子释放状态下，V2Os呈现出黄色，而在离子注入过程中，V2Os逐渐变为绿色、蓝色和过渡色，从而呈现出各种不同的色彩。

Tong等采用电沉积后的热处理工艺，在V2Os纳米杆的表面形成了一种多色的V2Os，其电致变色性能（黄色、蓝色和橄榄色）。

Zhao等通过水热、电淀积技术合成了
SnO2/V2Os核壳复合膜，其核/壳结构是改善电致变色性能的关键因素，且其反应
区域较大，且与基质的附着力较好，其电致变色特性表现为高调制对比度、高着
色效率以及优良的光周期稳定性。

2.2基于微纳结构的电致变色材料反射特性研究
普通的无机变色材料在可见波段只有一种颜色，而利用V2Os与色彩复合能
达到的色彩转换效果则相对有限。

而利用光子晶体的概念，可以使色彩更加丰富。

光子晶体是一种人工周期性的介电介质，它的特征在于它的折射率随时间变化而
变化。

雷德尔等22人首次提出基于纳米孔的 WO；与 NiO型电致变色材料相比，
一维光子晶体的孔结构更有利于电解质的嵌入与分离。

首先， WO在施加负偏压时；染色后的折射率下降，氧化镍的褪色、折射系数的增加、折射率的下降。

在650 nm下，一维光子晶体的有效折射率略有下降，禁带发生轻微的蓝移，并在外
加正极性偏置的情况下，使折射率增大，使光子禁带的反射得到回复。

在这一阶段，WO3、 NiO的层状结构由绿色、粉色向黄色转变；利用掠射角的电子束蒸镀
技术，在 ITO衬底上分别以75、15°的入射角沉积了 WO；WO在不同角度上的沉积；薄膜的有效折射率因其显微组织和多孔性质而有较大差异，约为0.41。

该光子晶体的中心反射波长为450 nm,550 nm,650 nm。

在电致变色时，其反
射中心的波长变化最大可达72 nm，表现出多种色彩。

除了一维光子晶体的结构
之外，还可以利用法布里-珀罗纳米型谐振腔的超致密电致变色膜来获得丰富的
色彩转换。

这种结构以 WOz为电致变色材料，而 W金属层既是电致变色电极的
反射层，又是电流收集器，因此，在WO3膜的上、下两个面上，光线在WO3膜的
上下两个面上前后反射，使光的传输/反射得到加强或抑制，由此形成了多种结
构色彩，最高峰值起伏达到56%，因此，某些波长的光被有选择地反射，而其它
的光被光干扰所吸收。

当 WO时，薄膜的厚度发生改变，其整体色彩会随厚度而
发生规律性的改变。

3结论与展望
从以上的结果可以看出，近年来电致变色材料取得了很大的进展。

然而，由
于目前电致变色材料的主流生产成本，离量产尚有一段距离。

高昂的费用使其很
难达到商业化。

通过对不同材质的优势进行综合，并对其加工工艺进行了合理的
选择，从而实现了光开关、光选择性透过等功能。

但是，目前大多数的电致变色材料都存在一定的缺点，其中有机电致变色材料的主要问题是变色速度慢、色彩种类单一、成本高。

为此，本文对电致变色材料进行了深入的研究，并对其进行了初步的研究。

(1)将重点放在复合材料上，以克服目前单一材料存在的缺陷，同时重点在于减少制造成本，从而实现大规模生产。

(2)挠性变色装置：在柔性衬底上制作变色材料，使其应用于日常服装中，具有防晒、调节温度等作用，还可以制作出新颖的款式，以获得消费者的青睐，增加其商业价值。

(3)一种具有高能量、自供电的环保型电致变色装置，其主要应用于建筑内部的温度调整，通过控制光线的波长，达到隔热、散热等作用，从而达到节能、环保的目的。

参考文献：
张翔,李文杰,王乐滨,等. 无机电致变色材料反射特性研究进展[J]. 无机材料学报,2021,36(5):451-460. DOI:10.15541/jim20200465.
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