通过将亚波长金属纳米结构与传统的电致变色材料相结合,我校现代工程与应用科学学院徐挺教授课题组与美国国家标准技术研究院以及Sandia国家实验室合作开研发了一种拥有超高光强调制对比度和快速时间响应的全彩色电致变色器件。这种器件将来有望可以应用在包括低功耗的显示设备,光信息处理器件以及智能玻璃等各个领域。相关成果以《High
Contrast and Fast Electrochromic Switching Enabled by
Plasmonics》为题,于2016年1月27日在《自然-通讯》上在线发表(doi:10.1038/ncomms10479)。徐挺教授为该论文的第一作者和通讯作者,论文第一通讯单位为南京大学。

等离子体元表面具有全色域、高空间分辨率等优点,是平板显示领域的一个发展方向。然而这种等离子体着色不容易调整,需要昂贵的光刻技术。在这里,可伸缩的电力驱动的变色元表面,使用自底向上的解决方案流程构造,该流程控制关键的等离子体间隙,并用活动介质填充它们。电致变色纳米粒子被涂覆在金属镜上,提供了迄今为止最小面积的活性等离子体像素。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

这些像素是迄今为止所创造的最小像素,比一般智能手机的像素小100万倍。它们可以在明亮的阳光下被看到,因为它们不需要恒定的能量来保持固定颜色,所以具有使大面积区域可行和可持续的能源性能。来自剑桥卡文迪什实验室的共同首席作者郑贤和(Hyeon-Ho
Jeong)说:

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eNPoMs是由金纳米粒子包裹在导电聚合物外壳中形成。图片:NanoPhotonics
Cambridge/Hyeon-Ho Jeong, Jialong Peng

基于表面等离子体亚波长金属结构的全彩色电致变色器件

在纳米尺度上,光的奇特物理特性允许它被切换,即使只有不到十分之一的薄膜被活动像素覆盖。这是因为当使用这些共振金结构时,每个像素光的表观大小比它们的物理面积大很多倍。这些像素可以带来许多新的应用可能性,比如建筑物大小的显示屏、可以关闭太阳能热负荷的建筑、主动伪装服装和涂料,以及未来物联网设备的微型指示器。该团队目前正致力于改善色彩范围,并正在寻找合作伙伴进一步开发该技术。

南京大学,NIST以及Sandia国家实验室的国际合作研究团队利用自身在纳米光子学与材料合成研究领域中的多年积累,另辟蹊径,利用亚波长金属结构中的存在表面等离子体效应同时解决了以上关于光调制对比度,响应时间以及多波长选择性调制的问题。通过亚波长金属结构控制入射光与表面等离子体之间的有效能量转化,在多波长范围内首次实现了具有超过90%光调制对比度以及小于20毫秒响应时间的聚合物电致变色器件。这一研究对于进一步提升器件光学性能,降低器件材料复杂度以及扩展高速动态应用起到了非常关键的作用,从而对于推进电致变色器件的实用化进程有着重要的现实意义。该技术已经申请了相关专利。

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电致变色是指材料的光学属性在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象,在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。作为电致变色器件中的常用材料,通过氧化还原反应实现电致变色效果的有机高分子聚合物由于光学性能稳定,
合成工艺简单以及器件成本低廉而备受关注。对于传统的有机聚合物电致变色器件,其发生褪色和染色的响应时间一般在几秒到几十秒左右。这一过慢的时间响应在很大程度上限制了器件的应用范围,例如需要高速动态切换的显示设备。虽然减小有机聚合物材料层的厚度从而加快电子/离子的注入可以在一定程度上缩短器件的响应时间,但这一方法是以牺牲器件光调制对比度为代价的,所以实用性很受限。除了响应时间和对比度之外,对于常用的电致变色材料来说,其在染色状态下对光的吸收只集中在某一波段,因而光吸收后所呈现的颜色对于一种特定的材料在染色状态下是固定的。所以当需要设计一个包含多种颜色的电致变色器件,例如彩色显示设备时,通常要应用多种不同种类的电致变色材料。不同材料之间光学性能的差别,化学性质的兼容性以及分步骤的加工工艺都会使得器件的复杂度和制造成本急剧增加。

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美高梅手机登录 ,作为电致变色器件中的常用材质,引致像素在光谱中变色。该项研究得到了国家青年千人计划和人工微结构科学与技术协同创新中心等的资助。

由剑桥大学(University of
Cambridge)领导的一个科学家团队开发彩色像素,可以在柔性塑料薄膜上进行卷对卷的制作,极大地降低了生产成本。研究结果发表在《科学进展》上。长期以来,人们一直梦想着能模仿章鱼或鱿鱼变色的皮肤,让人或物体消失在自然背景中。

我们一开始是把它们放在镀铝的食品包装袋上清洗,但后来发现喷雾速度更快。领导这项研究的剑桥卡文迪什实验室纳米光电子中心的杰里米·J·鲍姆伯格教授说:这些并不是纳米技术的常规工具,但要使可持续技术成为可能,就需要这种先进方法。

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迄今为止所创造出的最小像素,比智能手机的像素小一百万倍,是通过将光粒子捕获在微小的黄金岩石下制成,可以用于新型大型柔性显示器,这种显示器足够大,可以覆盖整个建筑物。

这些纳米颗粒具有很强的散射颜色,并可在>100纳米波长范围内进行电调谐。它们的双稳态性能(持久性时间超过数百秒)和超低能耗提供了生动、均匀、不褪色的颜色,可以在高刷洗率和光学对比度下进行调整。这些动态尺度从单纳米颗粒级到亚波长厚度器件中的多微米级薄膜,比电流显示器薄一百倍。

但制造大面积的柔性显示屏仍然非常昂贵,因为它们是由高度精确的多层结构构成。在剑桥大学科学家们开发的像素中心,是一颗直径只有十亿分之一米的微小黄金颗粒。这种颗粒位于反射表面的顶部,将光线困在两者之间的缝隙中。

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每个颗粒周围都有一层薄薄的粘性涂层,当电子开关时,它会发生化学变化,导致像素在光谱中变色。来自物理、化学和制造等不同学科科学家组成的团队,用一种叫做聚苯胺的活性聚合物,将大桶里的金色颗粒涂上一层,然后将它们喷洒到柔性的镜面涂层塑料上,从而大幅降低了生产成本,从而制造出了像素。

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