东华团队研发聚合物电致变色器件，能实现浅灰色和深蓝色的快速可逆切换
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麻省理工科技评论-东华团队研发聚合物电致变色器件，能实现浅灰色和深蓝色的快速可逆切换
电子显示技术一直是我国电子信息产业最重要的基础之一，也是承载万物互联愿景的关键一环。
目前，主流的电子显示技术分为主动发光式技术和被动反射式技术，前者的典型代表是有机发光半导体（Organic Electroluminescence Display，OLED）技术，后者的典型代表是电子墨水（E-ink）技术。
尽管每种技术各有优劣，但是相比之下基于被动反射式的显示技术旨在模仿传统纸张的显示效果，具有反射光线柔和、阅读舒适、利于人眼健康等优势。
相关数据表明，基于被动反射式显示技术的终端模组市场，近五年来复合增长率超过 40%，预计 2025 年全球终端模组市场规模将增长至约 30 亿美元。
在外加电场的作用之下，电致变色反射式显示器件可以驱动材料颜色发生可逆的切换，具有宽视角、双稳态显色、低功耗的优势。
特别是电致变色聚合物材料还具备色彩丰富、变色速度快、本征柔性等优点，是电致变色显示的理想材料之一。
但是，常规器件多采用 Li+ 离子电解质，其本身不具有变色特性，而且成本较高。
前不久，东华大学李克睿教授团队开发出一种基于二价紫罗精阳离子（Vio2+）的凝胶电解质。二价紫罗精离子不仅本身具有变色活性，而且可以为聚合物材料的电化学反应提供更多的反应电荷，从而能够提升整个器件的变色性能。
日前，以本征可变色的二价紫罗精基离子凝胶电解质为材料，东华团队成功打造了这款聚合物电致变色器件，不仅在光学对比度、开关速度和循环稳定性等方面表现良好。而且，其还具有优异的机械稳定性，为高性能柔性电子纸显示器的开发提供了一条不错的技术路线。
日前，相关论文以《二价紫罗精阳离子凝胶助力基于 PProDOT-Me2 可逆掺杂的柔性电致变色显示》（Divalent Viologen Cation-Based Ionogels Facilitate Reversible Intercalation of Anions in PProDOT-Me2 for Flexible Electrochromic Displays）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。
东华大学博士生白智元为第一作者，东华大学李克睿研究员和王宏志教授担任共同通讯作者。
事实上在研究伊始，他们也遇到了不少困难与挑战，在选择电致变色材料时，本希望选用具有高光学对比度的无机类电致变色材料，比如氧化钨、氧化钒等。
但是，这类材料与电解质中的离子尺寸不匹配，导致变色效果不佳、切换速度较慢。经一番研究之后，他们选择了一种聚噻吩衍生物，其不仅光学调制效果好，速度快，也能适配不同半径的离子，从而能够实现变色效果的提升。
另外，在设计单片机硬件时由于知识储备不足，导致他们在构建电致变色数字显示原型设备的后端驱动装置上遇到了难题，后来在团队内部以及多方合作下，通过对单片机进行定制，他们实现了针对数字显示器各字段的独立控制，获得了数字显示效果。
据了解，该器件在正负 1.5V 下可以实现浅灰色和深蓝色的可逆切换，在 1Hz 的切换速度之下也具备明显的变色效果，循环稳定性超过 20000 圈，器件运行功耗小于 2.5mWcm−2。
除此之外，这种显示器件还具有超薄质轻、柔性弯曲的优点，能够在 1.2cm 的曲率半径下弯曲上千次，在反射式显示领域展现出良好的应用前景。
凭借色彩丰富、能耗低、反射光线柔等潜在优势，如果将来可以投入使用，将能在不少领域代替 LCD 或 OLED 显示技术，从而提供更好的使用效果，比如用来制备电子阅读器、标签、包装、墙壁画作、广告牌等。
届时在使用这些产品时，一方面可以减缓蓝光辐射对用户眼睛的伤害；另一方面可以代替传统纸张，克服纸张生产、消耗以及回收带来的资源浪费与环境破坏。
当然，要想实现实际应用还有很长的路要走。目前这款器件的尺寸还不能满足高分辨率显示，因此需要结合光刻等微纳加工技术，以便实现电致变色单元的像素化。
另外，本次成果只演示了蓝色的显示效果，因此需要拓宽电致变色材料体系，进一步实现电致变色单元的多色彩化。
同时，还需进一步探索双稳态特性，以进一步降低工作能耗和契合高分辨刷新的要求。
参考资料：
1. Z. Bai, X. Wu, R. Fang, Z. Lu, C. Hou, Q. Zhang, Y. Li, K. Li, H. Wang, Divalent Viologen Cation-Based Ionogels Facilitate Reversible Intercalation of Anions in PProDOT-Me2 for Flexible Electrochromic Displays. Adv. Funct. Mater. 2023, 2312587. https://doi.org/10.1002/adfm.202312587
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