電致變色是電致變色材料的光學屬性（反射率、透過率等）在外加電場的作用下發生穩定、可逆的變化的現象，在外觀上表現為顏色和透明度的可逆變化。氧化鎢材料作為典型的無機電致變色材料，由于其良好的熱穩定性和化學穩定性，使其具有較高的商業化前景。然而，單一顏色變化（無色-藍色之間切換）難以滿足一些場景對色彩絢麗器件的需求，限制其進一步應用推廣。因此，探索基于無機材料的多彩電致變色技術對電致變色領域發展具有重要意義。
近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員趙志剛團隊基于前期對于氧化鎢材料多彩電致變色技術的研究（Nat. Commun. 2020, 11, 302；Nano Lett. 2020, 20, 1912-1915），發現這種基于氧化鎢材料的法布里-珀羅諧振腔結構的電致變色器件可實現豐富的顏色調控。在這種電致變色器件結構基礎上，團隊通過減薄諧振腔結構中的金屬層厚度至4-8nm，設計出一種全新的“雙面神”結構的電致變色器件（圖a）。該器件正反兩側表現出強烈的顏色不對稱性（圖b），當施加電壓進一步調制時，其一側著色狀態與另一側著色狀態明顯不同，會產生更豐富的不對稱顏色變化（圖c），這與傳統的電致變色器件所具有的對稱顏色變化特性有較大差別。這種“雙面神”效應是利用光學超薄金屬層的復雜光學常數（n,k）引起反射光的異常相移來實現的。進一步地，為了實現不同特性的不對稱顏色變化，研究選擇了不同金屬層作為光學吸收層，如鎢（W）、鈦（Ti）、銅（Cu）、銀（Ag）層等，發現金屬層的折射率（n）越大、消光系數（k）越大，器件顏色不對稱性越強。
為了更好、更有趣地展示這種新型“雙面神”多彩電致變色技術，科研人員受自然界枯葉蝶的啟發（其背側與腹側顏色不對稱），制作出一個人工枯葉蝶器件來展示這種獨特的“雙面神”特性（圖d）。這只人工蝴蝶的背側和腹側翅膀表面呈現出不同顏色，當它合上翅膀時，腹側表現出暗淡的棕褐色，像一片干燥的葉子，可以幫助躲避捕食者；當它張開翅膀時，可以呈現出絢麗的顏色且可實現色彩轉變。
該研究對新型電致變色器件的設計和構建提供了全新思路。未來，研究將立足于把這種器件的不對稱顏色擴展到紅外光譜（熱輻射），并為這種新型電致變色器件探索各種新的應用場景。相關研究成果以Mimicking Nature's Butterflies: Electrochromic Devices with Dual‐Sided Differential Colorations為題，發表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202007314）上。蘇州納米所博士生陳健為論文第一作者，趙志剛為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金面上項目、中科院青年創新促進會、中科院對外合作項目、江蘇省六大人才高峰工程及江西省自然科學基金重點項目的資助。
新型“雙面神”電致變色器件結構及不對稱顏色展示
