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第一作者：Zishou Hu
通讯作者：苏文明, Christine K. Luscombe
通讯单位：中国科学技术大学，冲绳科学技术大学院大学
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55133-w
近日，中国科学技术大学的苏文明研究团队与日本冲绳科学技术大学院大学的Christine K. Luscombe团队合作，在《Nature Communications》杂志上发表了一篇题为“Ageneral strategy to achieve see-through devices through the micro-structuring of colored functional materials”的研究论文。该研究提出了一种通过微结构化染色功能材料实现透明设备的通用策略。通过在多层结构中采用三维网格化的染色功能层，显著提高了设备的透明度，同时保持了所需的功能性。研究为透明设备在多个领域的应用提供了新的思路，包括电子、能源存储等。
在电致变色器件结构中，离子储存层对电荷平衡调节起到至关重要的作用，然而离子存储能力强的材料在还原态下仍具有明显的颜色，从而严重影响调节前后的对比度。因此，如何在不牺牲功能的前提下提升透明度，仍然是科学家面临的重要挑战。为此，该研究团队利用纳米压印、电镀等方式，将离子存储功能层网格化，减少离子存储层的面积占比，同时存储层具有足够的厚度保障其电荷调控能力，实现了功能层性能与器件透过率的平衡。
1. 基于功能网格结构的透明增强策略
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图1展示了传统多层结构与基于嵌入式网格电极（EIS）结构的对比。传统功能层覆盖率为100%，透明性较差，而通过微结构化策略，将功能材料嵌入3D网格中，仅占用3%-8%的表面区域，使透明度显著提升至88%。
图1 基于功能网格结构的透明增强策略
2.嵌入式离子存储网格的光学和电化学性能
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图2对EIS性能进行了表征。图2a展示了传统结构与EIS结构中各层对透明度的影响。可以看出，网格化电极的透过率优于商用ITO，从而使得EIS整体透过率高于传统结构设计。图2b和图2c展示了EIS的微观结构特征。图2d至图2f表明EIS具有高透过率（88%），且其透过光谱在不同外加电压下保持不变。图2g至图2j展示了EIS优异的离子存储能力（5.98 mC/cm²）和面积电容（2.68 mF/cm²）。相比传统WO₃膜，EIS网格在电化学稳定性和透光率方面表现更优。
图2 嵌入式离子存储网格的光学和电化学性能
3.电致变色设备中嵌入式网格的性能
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图3展示了EIS作为电致变色对电极的性能。实验表明，EIS在电化学转换过程中保持了良好的光学稳定性（2000次循环后性能下降仅4%），且设备在透光与着色状态下的颜色坐标几乎无明显变化。
图3 电致变色设备中嵌入式网格的性能
4.透明电致变色设备的应用场景
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图4展示了基于EIS的电致变色设备的多种实际应用。包括电致变色太阳镜和增强现实（AR）眼镜中的调光模块。太阳镜实现了从透明到深色的逐步调节，具有低能耗特性；AR眼镜中的调光模块通过降低背景光干扰，提高了显示效果，展现了EIS设计在智能设备中的应用潜力。
图4 透明电致变色设备的应用场景
5.基于嵌入式网格的透明超级电容器
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图5展示了利用EIS网格作为活性电极的透明超级电容器应用，其光学透光率超过70%。电化学测试显示，超级电容器具有一定的离子存储能力和良好的电化学稳定性。然而，由于功能材料的质量减少，其电容性能略逊于传统超级电容器，但其高透明度为实际应用提供了新思路。
图5 基于嵌入式网格的透明超级电容器
6.基于嵌入式网格的透明锌电池
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图6展示了EIS网格作为正极，嵌入式锌网格作为负极，构成的透明锌电池应用。该设备展现了高透光率和良好的库仑效率（循环效率保持在100%）。实验显示，透明锌电池在不同电流密度下的容量表现稳定，并成功驱动了小型电子设备，表明其在透明储能设备中的实际应用潜力。
图6 基于嵌入式网格的透明锌电池
本研究提出了一种创新的策略，通过微结构化功能材料将其转变为三维网格状结构，从而显著提高透明设备的透明度。实验表明，该策略可以将设备透明度提升至88%，高于传统多层结构设备，并且在电致变色、超级电容器和锌电池等应用中表现出了卓越的性能。这种设计不仅提高了透明度，同时保持了电化学性能的稳定性，适合用于透明电子设备中。未来，该方法还可推广应用于更多类型的透明设备，特别是在涉及光学性能与功能性兼顾的领域。
文章信息
Hu Z, Tang X, Yi Y Q Q, et al. A general strategy to achieve see-through devices through the micro-structuring of colored functional materials[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 10836.
DOI:https://www.nature.com/articles/s41467-024-55133-w
