蘇州納米所蘇文明團隊Nature Communications：一種高透光器件通用策略——膜層材料微結構化

 

　　但很多性能優秀的材料是不透光或有顏色的，這類材料可以制備性能優異的器件但不能實現可見光高透；在研制高透光器件時，往往需要優先考慮材料透光性，而這類材料可能其他性能可能不是最佳的，因而最終是犧牲性能下的一種無奈綜合平衡。比如電極材料，金屬是最好的導電材料，但其本身并不透光，只有做到20 nm以下才有一定的可見光透過率。因而在工業領域傳統透明電極的主流是ITO膜。因其是氧化物材料，電導率相對較低，在高透過率下其方阻約在10-100 Ω/□。用于建筑玻璃或汽車玻璃大尺寸產品時，方阻過大帶來電極上電壓降問題的劣勢突顯，如大尺寸電致變色產品變色速度慢，變色不均勻、壽命變短等問題。在電致變色等器件中，對電極功能膜層往往帶有弱的顏色，也會影響產品的透過率與對比度等指標而很難實現高端應用。
 

　　中國科學院蘇州納米所印刷電子團隊曾在崔錚研究員領導下結合納米壓印工藝及印刷填充納米導電銀漿，開發出了高品質微結構周期金屬網格的透明導電膜，解決了高透光與高導電不可兼得的難題，在觸控屏上實現大規模量產，創造產值數十億，該技術也榮獲了2014年中國專利金獎。后續團隊在蘇文明研究員帶領下，進一步創新工藝實現了高透光下、方阻比ITO小1000倍的銅網格透明導電膜，并在柔性透明電極、透明電磁屏蔽、透明電加熱、透明天線性能方面展示了強大的技術競爭力。
 

　　近日，中國科學院蘇州納米所蘇文明研究員團隊與日本沖繩科技大學院大學易袁秋強博士等合作，在金屬網格透明電極的基礎上，進一步將帶色功能層材料微結構化，用于電致變色、透明超級電容器和透明鋅電池制備等各種透視型器件提升透明度等光學性能，并在Nat. Commun. (10.1038/s41467-024-55133-w)上作為透光器件一種通用策略進行了報道。
 

　　在這項工作中，團隊以電致變色器件作為主要研究對象。在電致變色器件結構中，作為離子存儲層的對電極對電荷平衡調節至關重要。然而，離子存儲能力強的對電極材料在器件還原態下會形成顏色干擾而嚴重影響對比度。團隊利用納米壓印技術，在高透明的UV膠表面制作高深寬比的周期性網格凹槽結構作為模板。隨后，將納米銀填充到溝槽中，并電鍍鎳完成高導電、高穩定性金屬網格透明電極的制備，此時溝槽為半填滿狀態，隨后將研制成納米漿料的離子存儲材料填充到電極上方的溝槽中，形成嵌入式離子存儲(embedded ion storage,EIS)網格，占整個表面約3%～8%的面積，可見光直測透過率高達 88%。對用其制備的電致變色器件色坐標監測表明，在充放電過程中微結構化的離子儲存層不影響光的透過率與對比度。由于三維填充的離子儲存材料有數微米厚，充分保障了其電荷調控能力，因而在完全不犧牲器件基本性能的前提下提升了光學指標。
 

　　圖 1. 多層堆疊型嵌入式網格電極的結構示意圖，綠色箭頭表示光線透射整個電極過程中

 

圖2. EIS網格電極性能表征
 

　　(a) 傳統膜電極和EIS網格對電極的結構示意圖；(b)、(c) EIS網格的SEM圖像；(d) PET、銀網格和EIS網格在可見光區域內的透射光譜；(e) 不同電壓下EIS網格在三電極系統中的透射光譜，(插圖：600 nm~700 nm范圍內光譜的放大圖)；(f) 不同電壓下，在ITO玻璃上旋涂制備WO3薄膜的透射光譜。(g) 循環伏安輸入電壓下，EIS網格和旋涂WO3薄膜的透過率變化；(h) EIS網格和旋涂WO3薄膜的循環伏安曲線；(i) 不同電流密度下EIS網格的恒電流充放電曲線；(j) 計算得出的面電容
 

圖3. 以EIS網格作為對電極的電致變色器件性能
 

　　(a) 器件結構示意圖；(b) 電致變色器件(有效面積2×2 cm²)和單電極(在2.5×3 cm² ITO玻璃上旋涂ECP-magenta)在著色和褪色狀態下的光學照片；(c) ITO玻璃、電致變色單電極和器件在著色和褪色狀態下的透射光譜；(d) 根據光譜計算出的CIE L*a*b*色坐標；(e) 器件在不同掃速下的循環伏安曲線；(f) 器件在550 nm處的2000次循環測試(測試電壓+1.2/-0.4 V，步長5s)
 

圖4. 電致變色調光組件的結構與性能測試
 

　　(a) 電致變色調光墨鏡的結構示意圖；(b) 電致變色調光墨鏡的驅動電路以及單顆紐扣電池為單片鏡片完成整個電致變色切換過程的耗電量；(c) 電致變色調光鏡片的透射光譜；(d) 鏡片上三個不同點的響應時間對比(1：靠近電極處、2：鏡片居中位置、3：鏡片遠端位置)；(e) 電致變色調光墨鏡在著色態和褪色態下的光學照片。
 

圖5. 基于EIS網格的透明電化學超級電容器性能　(a) 對稱超級電容器結構示意圖；(b) 光學照片；(c) 透射光譜；(d) 不同掃速下的循環伏安特性曲線；(e) 不同電流密度下的恒電流充放電曲線；(f) 計算得出的面電容
 

圖6. 基于EIS網格的透明鋅電池性能
 

　　(a) 以鋅網格為負極，EIS網格為正極的鋅電池結構示意圖；(b) 透明鋅電池在 200 μA/c㎡下的循環性能，插圖：透明鋅電池在不同循環次數下的恒電流充放電曲線(對應灰色曲線-散點圖上的三個橙色點)；(c) 不同掃速下的循環伏安特性曲線；(d) 不同電流密度下的比容量；(e) 不同電流密度下的庫倫效率；(f) 計時器供電系統示意圖(兩個透明鋅電池為串聯)；(g) 計時器供電照片
 

　　以上成果以A general strategy to achieve see-through devices through the micro-structuring of colored functional materials為題發表在國際知名期刊Nature Communications上。論文第一作者為中國科學院蘇州納米所胡子首博士，通訊作者為中國科學院蘇州納米所吳馨洲副研究員、蘇文明研究員和日本沖繩科學技術大學院大學易袁秋強博士、Christine Luscombe教授。該工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金等項目支持，同時得到了中國科學院蘇州納米所Nano-X的表征技術支持。