江西科技师范大学卢宝阳Chem Mater：低成本、高性能氟代聚噻吩基柔性电致变色器件及可见光-近红外区显示应用
关键词：柔性电致变色、聚噻吩、电化学聚合、柔性显示器件、红外伪装
摘要：
柔性电致变色器件有望广泛用于柔性电子、可穿戴设备等诸多领域，已成为电致变色领域的重要研究热点。然而，低成本、高性能、宽波长范围的柔性电致变色器件材料设计及制造仍是该领域亟需解决的重要难题之一。近日，江西科技师范大学徐景坤、卢宝阳教授团队报道了一种低成本、高性能氟化聚噻吩电致变色材料，通过一步电化学聚合可实现其图案化制作柔性电致变色器件。所制作的柔性电致变色器件整体性能优异：光学对比度高（在1600 nm处最大80%）、响应时间快（0.93秒）、着色效率高（可达752 cm2 C-1）、循环稳定性好（5000次循环后减少< 3%）、光学记忆效应良好，在可见光区及近红外光区均展现优异的电致变色性能；同时，力学稳定性好（曲率半径1 cm下5000次弯曲循环后光学对比度衰减< 5%）。该器件的可见光区变色可用于室内装饰和电子皮肤纹身等，近红外区变色可用于红外伪装、红外智能窗等领域。
材料设计合成：
作者采用一步格式反应在噻吩环β位引入对氟苯基，获得了聚合前驱体3-（4-氟苯基）噻吩（产率 > 90%）；进而在三氟化硼乙醚体系中低电位电化学聚合得到聚（3-（4-氟苯基）噻吩）（PFPT）薄膜。对氟苯基引入聚噻吩主链：（1）材料成本相对较低；（2）维持分子π共轭体系及刚性结构；（3）易形成分子间氢键相互作用，促进电荷链间传输能力，有望同步提升聚合物薄膜电学、力学、电致变色等多种性能。 作者进而通过变温UV-Vis光谱、变温FT-IR光谱以及量化计算（DFT）等手段证实了噻吩主链的氟取代使PFPT能够形成分子间氢键相互作用。
电致变色性能：
所制备的PFPT薄膜可实现深红色（去掺杂）和浅绿色（掺杂）之间的可逆颜色变化。电致变色动力学研究表明，PFPT薄膜在可见光-近红外光区（400~2200 nm）的宽波长范围内展现出稳定的电致变色行为，光学对比度高（43~80%）、响应时间快（0.93 s)、着色效率高（可达752 cm2 C-1）、循环稳定性优异（20000 s循环后光学对比度减少< 5%）、光学记忆效应好（见图1），其综合性能优于目前所报道的典型共轭聚合物。此外，长期循环伏安测试结果表明该聚合物具有优异的电化学稳定性，5000次循环后电活性损失仅小于3%，优于大多数聚噻吩衍生物，甚至可以与电沉积PEDOT相媲美。
图1. PFPT薄膜的电致变色性能研究
柔性电致变色器件：
作者利用模板限制电化学聚合法实现了PFPT聚合物薄膜的简便图案化，并制作了基于PFPT薄膜的图案化柔性电致变色器件。器件总厚度约为0.5 mm，驱动电压 ≤ 2 V，可实现深红色-浅绿色之间的可逆颜色变化；器件力学稳定性良好，曲率半径1 cm下反复弯曲5000次循环后光学对比度仍可保持87.8%（530 nm）和95.1%（1100 nm）（见图2）。
图2. PFPT基柔性图案化电致变色器件的组装流程及稳定性研究
可见光区显示应用：
在图案化柔性电致变色器件基础上，作者进一步制作了大面积电致变色枫树原型器件（尺寸：25 cm × 16 cm），可模拟枫叶生长期间由绿色到红色的颜色变化，可用于室内装饰等显示应用（图3）。通过电化学聚合中掩模形状和聚合物薄膜厚度的控制，可对实现器件图案和颜色的定制化双重调制。此外，此类柔性电致变色器件可以在各种机械变形（如弯曲和扭曲）的情况下仍可稳定实现变色功能，有望用于电子皮肤纹身、可穿戴电致变色标签等领域（图3）。
图3 图案化柔性电致变色器件在可见光区的显示应用
近红外光区变色应用：
鉴于PFPT薄膜在近红外光区具有优异的电致变色性能，作者进一步探索了PFPT基柔性电致变色器件的近红外显示应用。研究发现，此类器件在850 nm红外光下可实现透明（-1.5 V）到黑色（2.0 V）的可逆变换；通过优化PFPT薄膜厚度，器件可以有效阻挡850 nm红外光，这些现象在红外信息显示、红外伪装、红外调节智能窗户等领域具有较好的应用前景。
该工作由江西科技师范大学柔性电子创新研究院完成，硕士生吴之心、赵奇为论文共同第一作者，徐景坤教授、卢宝阳教授为通讯作者。
原文信息：
Zhixin Wu, Qi Zhao, Xiao Luo, Hude Ma, ...... Jingkun Xu*, Baoyang Lu*. Low-cost fabrication of high-performance Vis-NIR electrochromic devices towards deformable display and camouflage. Chem. Mater. 2022, 34, 9923–9933.
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c01964
来源：柔性电子创新研究院
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撰稿人：吴之心
校稿人：卢宝阳
稿件编辑：田发娟
