中科大俞书宏团队JACS: 大面积共组装纳米线用于柔性透明智能窗户

【引言】

电致变色器件在不同偏压下会表现出不同的光学性质，因而在智能窗户、防炫目后视镜、电子显示等领域具有广阔的应用前景。传统的柔性电致变色器件主要是制备在氧化铟锡(ITO)电极上，实际上远未达到柔性的概念。近年来，金属纳米线(NW)、石墨烯、碳纳米管网格成为了制备柔性透明电极的热点，但碳纳米管和石墨烯制备的柔性薄膜在光学透过率为80%~90%时，电阻仅为100~1000Ω/sq，很难满足大多数的应用。相比而言，基于金属NWs的薄膜具有高的导电率和光学透过率，被寄予厚望。与无序的NW结构相比，通过操控NW组装形成宏观尺度的组装体才能精确地调控和平衡柔性透明电极的光学透过率和导电性。因此，如何有效地操控NWs的组装制备柔性器件成为了该领域研究的热点。

【成果简介】

近日，中国科技大学俞书宏教授和刘建伟副研究员(共同通讯作者)等人在J. Am. Chem. Soc.发表了题为“Large Area Co-Assembly of Nanowires for Flexible Transparent Smart Windows”的研究论文，报道了大面积共组装纳米线及其在柔性电致变色器件中应用的最新研究成果。研究团队通过改进的Langmuir-Blodgett(LB)技术成功地操纵了Ag和W₁₈O₄₉ NWs的大面积组装，制备了双层Ag/W₁₈O₄₉网格结构的柔性透明导电薄膜，具有可调控的电阻(7~40Ω/sq)和光学透过率(550nm波长下透过率为58~86%)。利用该膜制备的电致变色器件表现出了非常稳定的电致变色行为，而且可以通过Ag和W₁₈O₄₉ NW组装结构的改变来调控其电致变色性能。与基于ITO的器件相比，该电致变色膜具有非常优异的机械稳定性，即使经过1000次以上弯曲疲劳测试(r=1.2cm)仍保持很高的导电率(ΔR/R≈8.3%)和电致变色性能(90%的保持率)。

【图文导读】

图1 组装Ag和W₁₈O₄₉ NWs制备柔性透明电致变色膜

(a)柔性透明智能窗户的制备示意图；

(b)在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基体上共组装的Ag/W₁₈O₄₉ NWs网格结构的SEM图。质量比(m_Ag:m_W18O49)为14:4；

(c)在Ag/W₁₈O₄₉ NW膜上组装8层W₁₈O₄₉ NWs的SEM图；

(d)在大型LB水槽的水-空气界面上组装的单层W₁₈O₄₉ NW薄膜的照片；

(e)由两层Ag/W₁₈O₄₉ NW网格结构和8层W₁₈O₄₉ NWs组成的薄膜的实物照片；

(f)图(e)中所示的电致变色膜上6个不同位置处薄膜的电致变色性能表征。插图为膜在透明(0 V)和着色(-1 V)两个状态时的典型照片。

图2 电致变色膜的机械稳定性

(a)柔性Ag/W₁₈O₄₉纳米线薄膜的电致变色示意图；

(b-c)附着在烧杯弯曲内表面的纳米线薄膜在施加电压前(b)和后(c)的实物照片图；

(d)经过0、100、200、300、500和1000次弯曲循环后，柔性电致变色膜的电阻在弯曲测试中原位变化；

(e)经过0、100、200、300、400、500和1000次弯曲循环后，柔性电致变色膜的电致变色性能。

该薄膜是在两层Ag/W₁₈O₄₉ NW 网格上复合8层W₁₈O₄₉ NW获得的，m_Ag:m_W18O49 为14:4。

图3 电致变色性能的调控

(a)具有可控层数的W₁₈O₄₉ NWs的柔性膜器件的示意图；

(b-c)制备的膜器件在施加外电压前(b)、后(c)的照片；

(d-e)在632.5nm下监测到的具有不同W₁₈O₄₉ NWs层数的膜的电致变色性能。外加电压为0V保持20s后在-1V保持20s为一个循环；

(f-g)具有15层W₁₈O₄₉ NWs的NW膜器件在4000s内的电致变色性能(f)及其前6个循环和后6个循环的放大图(g)；m_Ag:m_W18O49为14:4。

图4 电致变色像素点的制备

(a)制备具有像素点和“NANO WIRE”字样的电致变色膜的示意图；

(b-d)具有像素点的膜在透明状态(b)、着色状态(c)和弯曲状态(d)时的照片；

(e-g)具有“NANO WIRE”字样的膜在透明状态(e)、着色状态(f)和弯曲时(g)的照片。

该薄膜是在两层Ag/W₁₈O₄₉ NW网格上复合8层W₁₈O₄₉ NW获得的，m_Ag:m_W18O49为14:4。

图5 固态电致变色器件的制备

(a)固态电致变色器件的结构示意图；

(b-c)弯曲时，固态电致变色器件的透明状态(b)和着色状态(c)的照片。插图为器件未弯曲时的照片；

(d)电致变色眼镜模型照片；

(e)电致变色窗户模型照片。

图6 固态电致变色器件的照片

尺寸为18cm×15cm的固态柔性电致变色器件实物图。

【小结】

本文通过改进的LB技术成功组装了柔性的Ag/W₁₈O₄₉ NW膜，并利用该膜制备了电阻率和透过率均可调控的电致变色器件，表现出了优异的电致变色性能和机械稳定性，在智能窗户、太阳能电池、显示器件和其他的下一代柔性器件领域具有广阔的应用潜力。该研究提出的大面积共组装纳米线的方法也为其他基于纳米线的柔性器件的设计和制备提供了全新的思路。

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

由衷感谢刘建伟副研究员对本文的斧正和对材料人编辑部的指导！

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，材料牛编辑整理。

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