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。•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(Continuousphase)，通常的氧化一还原反应是单一相(Singlephase)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(PPybilayeractuators)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(1owemissivity)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(solarcontrolcoatedglasses)，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。