電致變色工作原理

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

電致變色材料分為無(wú)機(jī)電致變色材料和有機(jī)電致變色材料。無(wú)機(jī)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(jī)電致變色材料主要有聚噻吩類(lèi)及其衍生物、紫羅精類(lèi)、四硫富瓦烯、金屬酞菁類(lèi)化合物等。以紫羅精類(lèi)為功能材料的電致變色材料已經(jīng)得到實(shí)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(lèi)型可分為無(wú)機(jī)電致變色材料和有機(jī)電致變色材料。

無(wú)機(jī)電致變色材料

無(wú)機(jī)電致變色材料多為過(guò)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(wú)定形WO3薄膜的變色。過(guò)渡金屬、電子層不穩(wěn)定,有未成對(duì)的單電子存在。過(guò)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(jià)態(tài)發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變,形成混合價(jià)態(tài)離子共存狀態(tài)。隨離子價(jià)態(tài)和濃度的變化,顏色也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,這就是過(guò)渡金屬氧化物具備電致變色能力的原因。常見(jiàn)的無(wú)機(jī)變色材料根據(jù)其發(fā)生氧化還原的原理不同,又可以細(xì)分為陽(yáng)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(guò)程復(fù)雜,其機(jī)理一直存在爭(zhēng)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(rèn)為WO3薄膜的電致變色機(jī)理是在變色過(guò)程中由于電場(chǎng)的作用,陽(yáng)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(rèn)為是其變色的原因。

陽(yáng)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(zhǎng)的循環(huán)壽命及原料豐富、價(jià)格適宜等優(yōu)點(diǎn)而成為一種研究最多的陽(yáng)極變色材料。氧化鎳是一種具有NaCl結(jié)構(gòu)的3d過(guò)渡金屬氧化物，晶體中會(huì)出現(xiàn)鎳空位或過(guò)氧的情況，這導(dǎo)致氧化鎳成為一種p型半導(dǎo)體。因此氧化鎳晶體中經(jīng)常會(huì)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(guò)程，至今NiO薄膜的變色機(jī)理仍有很多爭(zhēng)議。

有機(jī)電致變色材料

有機(jī)電致變色薄膜種類(lèi)相對(duì)較多，可以分為有機(jī)小分子電致變色材料和導(dǎo)電聚合物電致變色材料兩大類(lèi)。

有機(jī)小分子變色材料的典型代表就是紫羅精類(lèi)化合物，該類(lèi)物質(zhì)在氧化還原過(guò)程中會(huì)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(lèi)化合物由于自身結(jié)構(gòu)特殊性"para" label-module="para">

導(dǎo)電聚合物電致變色材料是20世紀(jì)70年代新發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)物質(zhì)。白川英樹(shù)等發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電聚乙炔以來(lái)，得到了飛快的發(fā)展。,20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著共軛高聚物經(jīng)小分子摻雜而顯示出很高的導(dǎo)電性并且出現(xiàn)電致變色現(xiàn)象以后，導(dǎo)電聚合物作為電致變色材料便很快發(fā)展起來(lái)。該類(lèi)物質(zhì)因具有費(fèi)用低、光學(xué)質(zhì)量好、顏色轉(zhuǎn)換快、循環(huán)可逆性好等優(yōu)點(diǎn)而受到重視。導(dǎo)電聚合物變色的原理主要是其摻雜過(guò)程，摻雜的實(shí)質(zhì)是離子等在高分子鏈中的遷入與遷出行為，同時(shí)伴隨著電子的得失，因此導(dǎo)電聚合物的摻雜過(guò)程是一個(gè)氧化還原可逆過(guò)程。在摻雜的過(guò)程中引發(fā)了分子導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的躍遷，包括極子能級(jí)、孤子能級(jí)、雙極子能級(jí)、電子的不同能級(jí)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(lái)決定摻雜程度，從而導(dǎo)致可見(jiàn)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。

電致變色是材料的光學(xué)屬性（反射率、透過(guò)率、吸收率等）在外加電場(chǎng)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(chēng)為電致變色材料，用電致變色材料做成的器件稱(chēng)為電致變色器件。

電致變色材料一個(gè)很好的例子是聚苯胺，聚苯胺可以通過(guò)電化學(xué)過(guò)程或者苯胺的化學(xué)氧化過(guò)程來(lái)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(huì)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(xué)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(shí)需要能量，電致變色材料被用于控制允許穿透窗戶(hù)（"智能窗"）的光和熱的總量，也在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用于根據(jù)各種不同的照明條件下自動(dòng)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?yàn)樽狭_堿（通常為深藍(lán)）與明亮的鈦白色有高對(duì)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(chǎng)作用下具有光吸收透過(guò)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(kuò)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(shí)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(wèn)題。是節(jié)能建筑材料的一個(gè)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(huì)耗電，達(dá)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(wú)視盲角、對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)。 用電致變色材料制備的自動(dòng)防眩目后視鏡，可以通過(guò)電子感應(yīng)系統(tǒng)，根據(jù)外來(lái)光的強(qiáng)度調(diào)節(jié)反射光的強(qiáng)度，達(dá)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(chē)、飛機(jī)內(nèi)部的光線強(qiáng)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(chē)和飛機(jī)上得到應(yīng)用。

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(dǎo)電層（如：ITO）、電致變色層、電解質(zhì)層、離子存儲(chǔ)層、透明導(dǎo)電層（如：ITO）、玻璃或透明基底材料。

器件工作時(shí)，在兩個(gè)透明導(dǎo)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(dǎo)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(chǔ)層在電致變色材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)起到儲(chǔ)存相應(yīng)的反離子，保持整個(gè)體系電荷平衡的作用，離子存儲(chǔ)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(bǔ)的作用。如：電致變色層材料采用的是陽(yáng)極氧化變色材料，則離子存儲(chǔ)層可采用陰極還原變色材料。

電致變色智能玻璃在電場(chǎng)作用下具有光吸收透過(guò)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(kuò)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(shí)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(wèn)題。是節(jié)能建筑材料的一個(gè)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(huì)耗電，達(dá)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(wú)視盲角、對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)。

用電致變色材料制備的自動(dòng)防眩目后視鏡，可以通過(guò)電子感應(yīng)系統(tǒng)，根據(jù)外來(lái)光的強(qiáng)度調(diào)節(jié)反射光的強(qiáng)度，達(dá)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(chē)、飛機(jī)內(nèi)部的光線強(qiáng)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(chē)和飛機(jī)上得到應(yīng)用。 解讀詞條背后的知識(shí) 查看全部

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電致變色是指在電場(chǎng)作用下，材料發(fā)生可逆的變色現(xiàn)象。電致變色實(shí)質(zhì)是一種電化學(xué)氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)后材料在外觀上表現(xiàn)出顏色的可逆變化。例如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等及其衍生物，在可見(jiàn)光區(qū)都有較強(qiáng)的吸收帶。同時(shí)，在摻雜和非摻雜狀態(tài)下顏色要發(fā)生較大變化，其中中性態(tài)是穩(wěn)定態(tài)。導(dǎo)電聚合物既可以氧化(p型)、摻雜，也可以還原(n型)摻雜。在作為電致變色材料使用時(shí)，兩種摻雜方法都可以使用，但以氧化摻雜比較常見(jiàn)。摻雜過(guò)程可以由施加電極電勢(shì)來(lái)完成。其中材料的顏色取決于導(dǎo)電聚合物中價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差，以及在摻雜前后能量差的變化。

電致變色材料是指在外電場(chǎng)及電流的作用下，可發(fā)生色彩變化的材料即為電致變色材料。其本質(zhì)是材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)作用下發(fā)生改變，進(jìn)而引起材料吸收光譜的變化。根據(jù)顏色變化的過(guò)程分類(lèi)，可分為顏色單向變化的不可逆變色材料，以及更具應(yīng)用價(jià)值的顏色可以雙向改變的可逆變色的材料。

具有實(shí)用價(jià)值的電致變色高分子材料必須具備顏色變化的可逆性、顏色變化的方便性和靈敏性、顏色深度的可控性、顏色記憶性、驅(qū)動(dòng)電壓低、多色性和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。研究開(kāi)發(fā)的電致變色高分子材料已經(jīng)基本具備上述性質(zhì)，電致變色材料的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)促使各種電致變色器件的研制和開(kāi)發(fā)迅速發(fā)展，電致變色器件基本上是由電子源和離子源、透明導(dǎo)電層、電致變色層、電解質(zhì)層、電極層等構(gòu)成。

電致變色材料可以用于研制開(kāi)發(fā)信息顯示器件、電致變色智能調(diào)光窗、無(wú)眩反光鏡和電色信息存儲(chǔ)器等，此外，在一些近年來(lái)的技術(shù)產(chǎn)品中，如變色鏡、高分辨率光電攝像器材、光電化學(xué)能轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存器、電子束金屬版印刷技術(shù)等也獲得了應(yīng)用。 2100433B

無(wú)機(jī)電致變色材料主要指某些過(guò)渡金屬的氧化物、配合物、水合物以及雜多酸等。常見(jiàn)的過(guò)渡金屬氧化物電致變色材料中屬于陰極變色的主要是Ⅵ族金屬氧化物，有氧化鎢、氧化鉬等；屬于陽(yáng)極變色的主要是Ⅷ族金屬氧化物，如鉑、銥、鋨、鈀、釕、鎳、銠等元素的氧化物或者水合氧化物，其中鎢和釩氧化物的使用比較普遍。氧化銥的響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，但是價(jià)格昂貴。無(wú)機(jī)電致變色材料的離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)對(duì)于電致變色也起重要作用。這類(lèi)材料的穩(wěn)定性好，與常規(guī)無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)合性能優(yōu)異，是制備電致變色玻璃的主要材料之一。