中科大俞書宏團隊JACS: 大面積共組裝納米線用于柔性透明智能窗戶

【引言】

電致變色器件在不同偏壓下會表現出不同的光學性質，因而在智能窗戶、防炫目后視鏡、電子顯示等領域具有廣闊的應用前景。傳統的柔性電致變色器件主要是制備在氧化銦錫(ITO)電極上，實際上遠未達到柔性的概念。近年來，金屬納米線(NW)、石墨烯、碳納米管網格成為了制備柔性透明電極的熱點，但碳納米管和石墨烯制備的柔性薄膜在光學透過率為80%~90%時，電阻僅為100~1000Ω/sq，很難滿足大多數的應用。相比而言，基于金屬NWs的薄膜具有高的導電率和光學透過率，被寄予厚望。與無序的NW結構相比，通過操控NW組裝形成宏觀尺度的組裝體才能精確地調控和平衡柔性透明電極的光學透過率和導電性。因此，如何有效地操控NWs的組裝制備柔性器件成為了該領域研究的熱點。

【成果簡介】

近日，中國科技大學俞書宏教授和劉建偉副研究員(共同通訊作者)等人在J. Am. Chem. Soc.發表了題為“Large Area Co-Assembly of Nanowires for Flexible Transparent Smart Windows”的研究論文，報道了大面積共組裝納米線及其在柔性電致變色器件中應用的最新研究成果。研究團隊通過改進的Langmuir-Blodgett(LB)技術成功地操縱了Ag和W₁₈O₄₉ NWs的大面積組裝，制備了雙層Ag/W₁₈O₄₉網格結構的柔性透明導電薄膜，具有可調控的電阻(7~40Ω/sq)和光學透過率(550nm波長下透過率為58~86%)。利用該膜制備的電致變色器件表現出了非常穩定的電致變色行為，而且可以通過Ag和W₁₈O₄₉ NW組裝結構的改變來調控其電致變色性能。與基于ITO的器件相比，該電致變色膜具有非常優異的機械穩定性，即使經過1000次以上彎曲疲勞測試(r=1.2cm)仍保持很高的導電率(ΔR/R≈8.3%)和電致變色性能(90%的保持率)。

【圖文導讀】

圖1 組裝Ag和W₁₈O₄₉ NWs制備柔性透明電致變色膜

(a)柔性透明智能窗戶的制備示意圖；

(b)在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基體上共組裝的Ag/W₁₈O₄₉ NWs網格結構的SEM圖。質量比(m_Ag:m_W18O49)為14:4；

(c)在Ag/W₁₈O₄₉ NW膜上組裝8層W₁₈O₄₉ NWs的SEM圖；

(d)在大型LB水槽的水-空氣界面上組裝的單層W₁₈O₄₉ NW薄膜的照片；

(e)由兩層Ag/W₁₈O₄₉ NW網格結構和8層W₁₈O₄₉ NWs組成的薄膜的實物照片；

(f)圖(e)中所示的電致變色膜上6個不同位置處薄膜的電致變色性能表征。插圖為膜在透明(0 V)和著色(-1 V)兩個狀態時的典型照片。

圖2 電致變色膜的機械穩定性

(a)柔性Ag/W₁₈O₄₉納米線薄膜的電致變色示意圖；

(b-c)附著在燒杯彎曲內表面的納米線薄膜在施加電壓前(b)和后(c)的實物照片圖；

(d)經過0、100、200、300、500和1000次彎曲循環后，柔性電致變色膜的電阻在彎曲測試中原位變化；

(e)經過0、100、200、300、400、500和1000次彎曲循環后，柔性電致變色膜的電致變色性能。

該薄膜是在兩層Ag/W₁₈O₄₉ NW 網格上復合8層W₁₈O₄₉ NW獲得的，m_Ag:m_W18O49 為14:4。

圖3 電致變色性能的調控

(a)具有可控層數的W₁₈O₄₉ NWs的柔性膜器件的示意圖；

(b-c)制備的膜器件在施加外電壓前(b)、后(c)的照片；

(d-e)在632.5nm下監測到的具有不同W₁₈O₄₉ NWs層數的膜的電致變色性能。外加電壓為0V保持20s后在-1V保持20s為一個循環；

(f-g)具有15層W₁₈O₄₉ NWs的NW膜器件在4000s內的電致變色性能(f)及其前6個循環和后6個循環的放大圖(g)；m_Ag:m_W18O49為14:4。

圖4 電致變色像素點的制備

(a)制備具有像素點和“NANO WIRE”字樣的電致變色膜的示意圖；

(b-d)具有像素點的膜在透明狀態(b)、著色狀態(c)和彎曲狀態(d)時的照片；

(e-g)具有“NANO WIRE”字樣的膜在透明狀態(e)、著色狀態(f)和彎曲時(g)的照片。

該薄膜是在兩層Ag/W₁₈O₄₉ NW網格上復合8層W₁₈O₄₉ NW獲得的，m_Ag:m_W18O49為14:4。

圖5 固態電致變色器件的制備

(a)固態電致變色器件的結構示意圖；

(b-c)彎曲時，固態電致變色器件的透明狀態(b)和著色狀態(c)的照片。插圖為器件未彎曲時的照片；

(d)電致變色眼鏡模型照片；

(e)電致變色窗戶模型照片。

圖6 固態電致變色器件的照片

尺寸為18cm×15cm的固態柔性電致變色器件實物圖。

【小結】

本文通過改進的LB技術成功組裝了柔性的Ag/W₁₈O₄₉ NW膜，并利用該膜制備了電阻率和透過率均可調控的電致變色器件，表現出了優異的電致變色性能和機械穩定性，在智能窗戶、太陽能電池、顯示器件和其他的下一代柔性器件領域具有廣闊的應用潛力。該研究提出的大面積共組裝納米線的方法也為其他基于納米線的柔性器件的設計和制備提供了全新的思路。

文獻鏈接：Large Area Co-Assembly of Nanowires for Flexible Transparent Smart Windows (JACS, 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b03227))

由衷感謝劉建偉副研究員對本文的斧正和對材料人編輯部的指導！

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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