電致變色的材料都有什么

電致變色材料分為無機(jī)電致變色材料和有機(jī)電致變色材料。三氧化鎢是無機(jī)電致變色材料的典型代表。目前，以WO3為功能材料的電致變色器件已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。有機(jī)電致變色材料主要包括聚噻吩及其衍生物、紫精、四硫富瓦烯、金屬酞菁等。以紫精為功能材料的電致變色材料已在實(shí)踐中得到應(yīng)用。

電致變色層是電致變色器件的核心層，也是變色反應(yīng)的生成層。電致變色材料根據(jù)種類可分為無機(jī)電致變色材料和有機(jī)電致變色材料。

無機(jī)電致變色材料

大多數(shù)無機(jī)電致變色材料是過渡金屬氧化物或其衍生物，首次發(fā)現(xiàn)的電致變色現(xiàn)象是無定形WO3薄膜的變色。過渡金屬和電子層不穩(wěn)定，存在不成對(duì)的單電子。過渡金屬元素的離子一般都有顏色，基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能量差很小。在一定條件下，價(jià)態(tài)可逆變化，形成混合價(jià)離子共存狀態(tài)。隨著離子價(jià)態(tài)和濃度的變化，顏色也會(huì)隨之變化，這就是過渡金屬氧化物具有電致變色能力的原因。普遍的無機(jī)變色材料根據(jù)氧化還原原理的不同，可細(xì)分為陽極著色材料和陰極著色材料。

陰極變色材料主要是ⅵ B族金屬氧化物。作為陰極變色材料的典型代表，WO3薄膜首次被發(fā)現(xiàn)并得到了詳細(xì)的研究。WO3變色過程復(fù)雜，其機(jī)理一直存在爭(zhēng)議。雙注入模型，即福南模型，目前被廣泛接受和應(yīng)用。根據(jù)該模型，WO3薄膜的電致變色機(jī)理是由于電場(chǎng)的作用，陽離子和電子注入WO3晶格間隙后產(chǎn)生W被認(rèn)為是其變色的原因。

陽極變色材料主要是VIII和Pt金屬的氧化物或水合物。其中，氧化鎳因其著色/漂白范圍大、循環(huán)壽命長、原料豐富、價(jià)格適宜等優(yōu)點(diǎn)，成為研究最多的陽極變色材料之一。氧化鎳是一種具有NaCl結(jié)構(gòu)的3d過渡金屬氧化物，晶體中會(huì)出現(xiàn)鎳空位或過氧化物，造成氧化鎳成為P型半導(dǎo)體。因此，氧化鎳晶體中經(jīng)常出現(xiàn)空位、缺點(diǎn)和摻雜。雙注入模型不可很好地解釋氧化鎳的變色過程，氧化鎳薄膜的變色機(jī)理仍有爭(zhēng)議。

有機(jī)電致變色材料

有機(jī)電致變色薄膜有很多種，可分為兩類:有機(jī)小分子電致變色材料和導(dǎo)電聚合物電致變色材料。

有機(jī)小分子變色材料的典型代表是紫精化合物，在氧化還原過程當(dāng)中會(huì)變色，因此屬于氧化還原化合物。一般情況下，中性紫精化合物有其自身的結(jié)構(gòu)特殊性。分子內(nèi)禁止電子遷移，所以顏色較淺。隨著外加電位的增加，中性結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠盅趸瘧B(tài)，最終形成穩(wěn)定的二價(jià)陽離子形式，無色。由于分子間強(qiáng)烈的光電轉(zhuǎn)移，單價(jià)陽離子的顏色最深。

導(dǎo)電聚合物電致變色材料是20世紀(jì)70年代新發(fā)展起來的。自從白川英樹發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電聚乙炔以來，它發(fā)展很快。自20世紀(jì)80年代以來，隨著摻雜小分子的共軛聚合物表現(xiàn)出高導(dǎo)電性和電致變色現(xiàn)象，導(dǎo)電聚合物作為電致變色材料得到了迅速發(fā)展。這種材料因其成本低、光學(xué)質(zhì)量好、顏色轉(zhuǎn)換快、循環(huán)可逆性好而受到重視。導(dǎo)電聚合物變色的原理主要是其摻雜過程，摻雜的本質(zhì)是離子在聚合物鏈中的遷移和遷出，伴隨著電子的得失，所以導(dǎo)電聚合物的摻雜過程是一個(gè)氧化還原可逆過程。在摻雜過程當(dāng)中，引發(fā)了分子導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的躍遷，包括極性能級(jí)、孤子能級(jí)、雙極能級(jí)和電子能級(jí)的躍遷，使得光譜發(fā)生了不同的變化。摻雜程度是通過控制一定范圍內(nèi)的電壓來決定的，造成在可見光區(qū)的吸收不同，呈現(xiàn)顏色變化，出現(xiàn)電致變色現(xiàn)象。