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高分子电致变色材料


高分子电致变色材料

? 变色现象是指物质在外界环境的影响 下.而产生的一种对光的反应的改变。这 种现象普遍存在于自然界。人们感兴趣的 是一种可逆的变色现象.即可利用一定的 外界条件将它的颜色进行改变和还原。总 结起来主要有4类:电致变色、光致变色、 热致变色和压致变色。它们分别有各自的 应用前景。

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总结起来主要有4类: 电致变色、 光致变色、 热致变色 压致变色。 它们分别有各自的应用前景。

? 电致变色材料所用的材料要求具有良好的离 子和电子导电性.较高的对比度、变色效率 和循环周期等电色性能。 ? 按照材料类型可分为:无机电致变色材料和 有机电致变色材料。 ? 按照物质的状态可分为:薄膜型(固体)、析出 型(固体和液体相互转化)和非析出型(溶液)。

? 无机电致变色材料的光吸收变化是因为离 子和电子的双注入和双抽取而引起的,其 性能稳定。 ? 有机电致变色材料的光吸收变化来自氧化 还原反应.其色彩丰富.易进行分子设计。

? 无机电色材料的电化学变色性利用了氧化 物中金属离子的价态变化,它与简单的氧 化一还原反应有着重大区别 首先,AxMOy 的形成类似向物质掺杂,其体积不变,仍 等于MOy的体积,而氧化一还原反应是物质 在阳极或阴极的生长,材料的体积取决于 工艺持续的时间;其次.AxM0y可看作x的 连续相(Continuous phase),通常的氧化一 还原反应是单一相(Single phase)的生长;

? 第三, AxM0y的着/消色(电荷的注入/抽 取)反应动力学与固体/电解质界面以及固 体内的性质紧密相关,通常的氧化一还原 反应只和电极/电解质界面的性质有关。

? 有机电色材料是某些液体中的离子或分子 的络合物,它或者在阴极得到一个电子被 还原,或者在阳极失去一个电子被氧化, 其反应产物具有着色吸收,或与原有物质 颜色不同 产物通常有低得多的溶解度,因 而可能沉积出来。有的材料具有两种以上 的氧化态,因而可发生单电子或双电子甚 至多电子反应,各对应不同的颜色,即有 多种颜色变化。

电致变色材料的工作原理
? 其实质是一个电极颜色能随充放电过程发 生可逆转变的超薄电池。

? 显色一消色”过程伴随着电子转移和保持 材料电中性的离子传导。一般电致变色薄 膜采用多层结构,在两层透明导体中交替 填充着电致变色层、离子导体和对电极三 层活性薄层。处于中间的离子导体作为电 解质起着把自由离子从储电层(对电极)传输 到电致变色层的作用,此时薄膜将由透明 变为不透明。

? 透明导电层(TC) ? 两侧TC层作器件与外电源之间的电接触,常用 ITO膜或SnO2膜。前者透光性较好但抗酸腐蚀能 力不如后者。TC层可用CVD、电子束蒸发、溅射 等方法制作。TC层用作EC层的衬底时需注意两 个问题:一是液体电解质通过EC层的周边侵入 TC层,可导致它从玻璃基板上剥落,造成器件报 废;二是In或Sn(或者还有掺杂荆Sb、F等)扩散到 EC膜中,对电色特性造成不良影响。

? 电致变色层(EC,也叫工作电极) ? 为了得到电色活性,要求EC层是无定形或 微晶结构,并使膜中有必要的含水量。因 为晶体的高度不完整性(开放性的晶格结构 加上晶粒边界及其它缺陷)便于离子的传输; 同时,水对离子的传输有关键作用。

? 电解质层(EL) ? 电解质必须满足以下要求:提供电色材料 所需的补偿离子,或者说要和EC材料兼容; 有高的离子电导率和高的电子电阻率,即 必须是离子的良导体和电子绝缘体。器件 在透射模式工作时,电解质必须透明;以 及对EC和CE层无腐蚀性。

? 对电极层(CE) ? 对电极的起码要求应是惰性的,即只作为 电子的收集/发射体。但在ECD中对电极 还应作为离子的贮存层,当工作电极EC被 注入离子时,它供应离子到电解质层,而 工作电极被抽出离子时,将离子收集起来, 以保持电解质层的电中性。因而要求对电 极也是电子和离子的混合导体。

? 反射型ECD的对电极和工作电极可以是相同 材料。虽然甲电极着色时己电极消色,或者 反过来,但不会影响正面电极的观察。 ? 透射型ECD要求对电极为工作电极的“互 补”EC材料,即当工作电极为氧化着色材料 时选用还原着色材料为对电极材料,或者反 过来。这样,当工作电极处于消色态时,对 电极也处于消色态,不影响透光;而当前者 处于着色态时,后者也处于着色态,有加强 光吸收的效果。

电化学变色性的特点
? 1、光密度与注入离子电荷△Q的关系,当△Q较小 时是线性的,较大时呈现出某种饱和,因此可通过 控制注入电荷量实现OD连续调控。 ? 2、通过改变电压极性使电荷注入或抽取,可方便 地实现着色或消色,即着、消色有可逆性。不过着 /消色是不对称的动力学过程:离子注入时受电色 电极/电解质界面势垒的限制,离子抽取时受电色 电极内空间电荷层的限制。这样,着、消色的响应 特性有区别。

? 3、已着色的材料如切断电荷流通路径(开 路)、也不发生其它氧化一还原反应时,可 以保持着色状态,即有记忆功崩。 ? 4、将有不同谱特性的材料以某种方式结合, 有可能实现颜色的组合,这被利用来发展 混合氧化物EC系统,以得到例如较适合人 眼的光谱峰值响应以至彩色显示

高分子电致变色材料的应用

? 电致变色器件 ? 经过几十年的发展,一些电致变色器件已 经研制成功,有的还处于实验室阶段 器件 的功能主要表现为透射可调、反射可调、 信息显示和辐射可调。相应的器件有灵巧 窗、反射镜、显示器等。

? 1、电致变色显示器平板显示器件(FPD)分为 发光型和受光型两大类。 ? 受光型FPD按工作原理的不同可分为:液晶 显示器件(LCD)、电致变色显示器件(ECD)、 电泳显示器件(EPID)、铁电陶瓷显示器件 (PLZT)等。 ? 发光型FPD按工作原理的不同可以分为:等 离子体显示器件(PDP)、电致发光显示器件 (包括ELD和LED)、场发射显示器件(FED)、 真空荧光显示器件(VFD)等。

? 电致变色显示器与其它显示器相比具有无 视盲角、对比度高.易实现灰度控制、制 造方便、工作温度范围宽、驱动电压低、 色彩丰富等优点。

? 2、电致变色移动像元 ? 这种器件是使用聚吡咯(PPy)来实现颜色和 像元数目的变化。它是把PPy电镀在硅片上, 利用聚吡咯氧化态的可控性,通过电化学 方法来形成制动器和电致变色元件。两层 PPy制动器(PPy bilayer actuators)的一个电 极改变上下电势,另一个电极改变硅片上 的电致变色膜PPy的电势

? 3 、汽车观后镜 ? 这种器件通过改变电致变色层的光吸收来 达到镜子反射亮度的智能调节,使镜子周 围的亮光变暗,减少来自镜子后面强烈的 炫光,从而达到安全驾驶的目的。这种器 件是把适当的粘性电解液注入到导电玻璃 和反射镜之间,再给电致变色层施加低电 压,就能调节镜子的反射率,使灯光变暗。

? 4、 电致变色灵巧窗 ? 在过去的数十年里,人们大多使用的玻璃窗可 大致分为以下两种:一种是低辐射率(1ow emissivity)的玻璃,它可以减少热损耗.使室 内透射更多的热量,达到取暖的目的;另一种 是目光控制涂层玻璃(solar control coated glasses),它可以减少目光的透射率,从而达 到室内凉爽的目的。但是一年四季中每个季节 的光照强度不同.每天的各个时辰的光照强度 也不同。所以上述的两种玻璃就不能很好的满 足室内阳光透射率连续可调的目的。

? 灵巧窗可以很好的控制室内的光、热性能。它 有两种基本结构:一种是夹层式,即在两层透 明导电玻璃上的变色层和存储层之间注入一层 聚合物离子导体层;另一种是单块集成电 (monolithic)结构.即在导电玻璃衬底上依次镀 上离子存储层.离子导体层.电致变色层和透 明导电层。第一种结构由于液体电解质的流动 而使得玻璃的变色并不均匀。这两种结构均可 在通以小电压(1~5V)的情况下发生漂白(光透 射率>60)和着色(光透<15 )的可逆变化.从而动 态的调节室内的光热性能,节约了因为加热或 冷却室温而消耗的大量电能.节约了能源,也 充分得利用了太阳能.使室内变得舒适。

? 5、 反射式电致变色器件 ? 近年来.电致变色机制已经从可见光区扩 展到紫外.近红外、中红外、微波等光区 中。而相应的颜色变化也已延伸为器件对 这些波段的响应。这类器件恰能满足需要 在各种波长范围内变色的显示器的要求。


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