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电致变色氧化物具有动态调节其自身光学特性的能力，因此在智能窗户、显示器和军事伪装方面具有重大的应用潜力。尤其近年来，电致变色氧化物展现出的可见/近红波段的独立调控能力，使其在智能建筑节能领域拥有可观应用前景。然而，尽管这些应用取决于电致变色氧化物的光学特性，但其致色机制尚不清楚。
来自南方科技大学材料科学与工程系的温瑞涛团队，近期在电致变色的光吸收机理方面取得了新进展。该团队基于极化子的形成与运动，阐明了非晶阴极电致变色氧化物的变色行为，即小极化子和双极子的跃迁组合，并进一步揭示了其双波段调控特性的来源。相关研究成果以“Polaron hopping induced dual-band absorption in all amorphous cathodic electrochromic oxides”为题，发表在Applied Physics Reviews，并被选为“Featured Article”。
图1 小极化子与双极化子的跃迁与能量分布
在该研究中，团队依据氧化物中的金属元素价态组成，基于极化子理论建立了光吸收的模型，系统地研究了多种阴极电致变色氧化物（WO3、MoO3、Ta2O5、Nb2O5、TiO2）以及传统被认为是两性电致变色材料的V2O5的光吸收演变。通过将非晶阴极电致变色氧化物的光密度谱与极化子吸收模型对比，发现吸光谱图中两个显著的吸收峰分别来源自小极化子和双极化子的电荷转移跃迁：即单一电荷在Mn+与M(n-1)+位点间的转移跃迁，以及双电荷在Mn+与M(n-2)+位点间的转移跃迁。
图2极化子跃迁诱导WO3的双波段光吸收
该研究进一步证明了小极化子与双极化子跃迁的组合可以实现阴极金属氧化物的双波段调控特性，即分别对可见光和近红外光的吸收进行独立调节。在电荷注入的初期阶段，小极化子中的局域电荷在Mn+和M(n-1)+位点之间的跃迁引发近红外的光吸收。而进一步的电荷插入导致M(n-2)+的形成（TiO2除外），促成了双极化子中的双电荷在Mn+和M(n-2)+位点之间的跃迁跳跃，进而引发短波长范围内的光吸收。
图3 极化子跃迁诱导V2O5的多波段光吸收
图4 电致变色阴极氧化物的分类修正
小极化子和双极化子引发的双波段调控在V2O5中尤为显著。在较大的离子插层下，V2O5在短波范围表现出强烈的光吸收，在长波长范围则表现为微弱的光吸收，从而呈现出“伪”阳极特性。因此，在极化子跃迁的理论框架内，V2O5与其它阴极电致变色氧化物拥有相同的着色机理，应被归类为阴极氧化物，而非传统意义上的两性电致变色材料。
本工作基于小极化子和双极化子跃迁，展示了所有非晶态阴极电致变色氧化物的光吸收特性。此外，该研究工作针对V2O5修正了其电致变色材料分类。该成果为深入理解阴极氧化物的电致变色提供了理论依据，并为开发具有双波段调节特性的电致变色器件提供了重要参考。
本研究的第一作者为南方科技大学的张人夫博士。论文作者还包括南科大材料科学与工程系的硕士研究生殷梦涵、博士研究生邵佩佩、黄庆姣博士、以及乌普萨拉大学的Niklasson教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省科技厅、深圳市科技创新局等单位的支持。
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