苏州纳米所苏文明团队《自然·通讯》：一种高透光器件通用策略--膜层材料微结构化

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-04 07:52

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高透光功能器件可以与光学窗口集成而备受行业关注，在“双碳”时代，电致变色调光节能窗、半透明光伏组件等作为高科技智能材料正成为低碳建筑与新能源汽车的新宠；在显示领域，抬头显透明显示用于导航、玻璃窗广告、汽车装饰星空顶等；AR/VR智能变色调光眼镜、光学镜头等诸多应用方向都需要高透光器件或高透光功能膜。

但很多性能优秀的材料是不透光或有颜色的，这类材料可以制备性能优异的器件但不能实现可见光高透；在研制高透光器件时，往往需要优先考虑材料透光性，而这类材料可能其它性能可能不是最佳的，因而最终是牺牲性能下的一种无奈综合平衡。比如电极材料，金属是最好的导电材料，但其本身并不透光，只有做到20 nm以下才有一定的可见光透过率。因而在工业领域传统透明电极的主流是ITO膜。因其是氧化物材料，电导率相对较低，在高透过率下其方阻约在10-100 Ω/□。用于建筑玻璃或汽车玻璃大尺寸产品时，方阻过大带来电极上电压降问题的劣势突显，如大尺寸电致变色产品变色速度慢，变色不均匀、寿命变短等问题。在电致变色等器件中，对电极功能膜层往往带有弱的颜色，也会影响产品的透过率与对比度等指标而很难实现高端应用。

中科院苏州纳米所印刷电子团队曾在崔铮研究员领导下结合纳米压印工艺及印刷填充纳米导电银浆，开发出了高品质微结构周期金属网格的透明导电膜，解决了高透光与高导电不可兼得的难题，在触控屏上实现大规模应用，创造产值数十亿，该技术也荣获了2014年中国专利金奖。后续团队在苏文明研究员带领下，进一步创新工艺实现了高透光下、方阻比ITO小1000倍的铜网格透明导电膜，并在柔性透明电极、透明电磁屏蔽、透明电加热、透明天线性能方面展示了强大的技术竞争力。

近日，中国科学院苏州纳米所苏文明研究员团队与日本冲绳科技大学院大学易袁秋强博士等合作，在金属网格透明电极的基础上，进一步将将带色功能层材料微结构化，用于电致变色、透明超级电容器和透明锌电池制备等各种透视型器件提升透明度等光学性能，并在Nat. Commun. （10.1038/s41467-024-55133-w）上作为透光器件一种通用策略进行了报道。

在这项工作中，团队以电致变色器件作为主要研究对象。在电致变色器件结构中，作为离子存储层的对电极对电荷平衡调节至关重要。然而，离子存储能力强的对电极材料在器件还原态下会形成颜色干扰而严重影响对比度。团队利用纳米压印技术，在高透明的UV胶表面制作高深宽比的周期性网格凹槽结构作为模板。随后，将纳米银填充到沟槽中，并电镀镍完成高导电、高稳定性金属网格透明电极的制备，此时沟槽为半填满状态，随后将研制成纳米浆料的离子存储材料填充到电极上方的沟槽中，形成嵌入式离子存储（embedded ion storage, EIS）网格，占整个表面约3~8%的面积，可见光直测透过率高达 88%。对用其制备的电致变色器件色坐标监测表明，在充放电过程中微结构化的离子储存层不影响光的透过率与对比度。由于三维填充的离子储存材料有数微米厚，充分保障了其电荷调控能力，因而在完全不牺牲器件基本性能的前提下提升了光学指标。

图 1. 多层堆叠型嵌入式网格电极的结构示意图，绿色箭头表示光线透射整个电极过程中。

图2 EIS网格电极性能表征。(a) 传统膜电极和EIS网格对电极的结构示意图；(b)、(c) EIS网格的SEM图像；(d) PET、银网格和EIS网格在可见光区域内的透射光谱；(e) 不同电压下EIS网格在三电极系统中的透射光谱，（插图：600 nm~700 nm范围内光谱的放大图）；(f) 不同电压下，在ITO玻璃上旋涂制备WO₃薄膜的透射光谱。(g) 循环伏安输入电压下，EIS网格和旋涂WO₃薄膜的透过率变化；(h) EIS网格和旋涂WO₃薄膜的循环伏安曲线；(i) 不同电流密度下EIS网格的恒电流充放电曲线；(j) 计算得出的面电容。

图3. 以EIS网格作为对电极的电致变色器件性能。(a) 器件结构示意图；(b) 电致变色器件（有效面积2×2 cm²）和单电极（在2.5×3 cm² ITO玻璃上旋涂ECP-magenta）在着色和褪色状态下的光学照片；(c) ITO玻璃、电致变色单电极和器件在着色和褪色状态下的透射光谱；(d) 根据光谱计算出的CIE L*a*b*色坐标；(e) 器件在不同扫速下的循环伏安曲线；(f) 器件在550 nm处的2000次循环测试（测试电压+1.2/-0.4 V，步长5s）。

图4. 电致变色调光组件的结构与性能测试。(a) 电致变色调光墨镜的结构示意图；(b) 电致变色调光墨镜的驱动电路以及单颗纽扣电池为单片镜片完成整个电致变色切换过程的耗电量；(c) 电致变色调光镜片的透射光谱；(d) 镜片上三个不同点的响应时间对比（1：靠近电极处、2：镜片居中位置、3：镜片远端位置）；(e) 电致变色调光墨镜在着色态和褪色态下的光学照片；(f) 带有电致变色调光组件的AR眼镜光路示意图；(g) 用于拍摄波导图像的物体摆放示意图；(h) AR眼镜在明亮摄影棚中显示纳米所所徽，调光组件处于关闭（左）/打开（右）状态。

图5. 基于EIS网格的透明电化学超级电容器性能。(a) 对称超级电容器结构示意图；(b) 光学照片；(c) 透射光谱；(d) 不同扫速下的循环伏安特性曲线；(e) 不同电流密度下的恒电流充放电曲线；(f) 计算得出的面电容。

图6. 基于EIS网格的透明锌电池性能。(a) 以锌网格为负极，EIS网格为正极的锌电池结构示意图；(b) 透明锌电池在 200 μA/cm2下的循环性能，插图：透明锌电池在不同循环次数下的恒电流充放电曲线（对应灰色曲线-散点图上的三个橙色点）；(c) 不同扫速下的循环伏安特性曲线；(d) 不同电流密度下的比容量；(e) 不同电流密度下的库伦效率；(f) 计时器供电系统示意图（两个透明锌电池为串联）；(g) 计时器供电照片。

以上成果以A general strategy to achieve see-through devices through the micro-structuring of colored functional materials为题发表在国际知名期刊Nature Communications上。论文第一作者为中国科学院苏州纳米所胡子首博士，通讯作者为中国科学院苏州纳米所的吴馨洲副研究员和苏文明研究员，以及日本冲绳科学技术大学院大学的易袁秋强博士、Christine Luscombe教授。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金等项目支持，同时得到了中国科学院苏州纳米所Nano-X的表征技术支持。

原文链接：
https://rdcu.be/d5f2R

来源：高分子科学前沿

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