多色多稳态透明电致变色材料与显示技术：单分子设计实现高透光率与动态色彩调控

时间：2025年12月15日

来源：Nature Communications

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本研究针对透明电致变色（EC）显示器在实现高透光率与鲜艳多色切换方面的技术瓶颈，提出了一种基于罗丹明（rhodamine）与ProDOT（3,4-丙二氧基噻吩）单元整合的单分子设计策略。通过系统筛选分子掺杂剂（如Cu(TFSI)2），研究人员成功消除了色干扰，制备出具有三态光学特性（无色、品红、蓝色）的PTRh-B器件。该器件透光率高达80%，切换速度达0.13 s（无色-品红）和1.8 s（无色-蓝色），且具备多稳态特性（蓝色/无色态维持>5 h，品红态>30天）和超长循环寿命（>5,200/8,400次）。研究进一步实现了像素级显示原型，为透明节能显示和电子可擦写存储器提供了创新解决方案。

在智能穿戴、增强现实（AR）和节能建筑等领域，透明显示器因其能够无缝融入环境而备受关注。然而，传统发光显示器在强光下可视性差且能耗高，而非发射式电致变色（Electrochromic, EC）显示器通过调控自然光实现信息呈现，兼具高透光率、宽视角和低功耗优势。尽管前景广阔，现有EC技术仍面临核心挑战：如何在不牺牲透明度的前提下实现鲜艳的多色切换？色彩干扰、稳定性不足和复杂器件结构限制了其实际应用。

为突破这一瓶颈，吉林大学张宇模团队在《Nature Communications》发表研究，提出了一种创新的单分子设计策略。该工作将罗丹明（rhodamine）发色团与聚（3,4-丙二氧基噻吩）（poly-ProDOT）骨架结合，通过分子掺杂调控能级结构，成功开发出兼具高透明度、多色切换和多稳态特性的电致变色材料。

研究的关键技术方法包括：采用直接杂芳基化聚合（DHAP）合成PTRhs系列聚合物；通过循环伏安法（CV）和光谱学分析电化学行为；利用X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证“Cu-S”配位与氢键的动态调控机制；基于激光直写技术制备像素阵列显示原型，并采用印刷电路板（PCB）驱动实现多色图案可控切换。

多色电致变色聚合物的设计

研究团队通过将罗丹明衍生物接枝到ProDOT单元上，构建了PTRhs系列聚合物。初始PTRh-B薄膜虽呈现品红色，但因聚-ProDOT骨架与罗丹明单元的氧化电位差过小（Δφ=0.102 V），无法实现无色态。

多色、透明与多稳态机制

通过筛选九种p型掺杂剂，发现Cu(II)掺杂可显著增大氧化峰电位差至0.162 V，从而消除色干扰。XPS与FTIR分析证实，电刺激可逆调控“Cu-S”配位与分子内氢键，驱动三态转换：无色态（掺杂态）→蓝色态（正电压诱导罗丹明内酯开环）→品红态（负电压还原Cu²⁺至Cu⁺，恢复中性PTRh-B特性）。

器件性能与显示应用

PTRh-B基电致变色器件（ECD）初始透光率达80%，在+1.8 V、-1.5 V和+0.5 V下分别切换为蓝色（△T_{585 nm}=47.5%）、品红（△T_{596 nm}=30.4%）和无色态。器件具备快速响应（无色-品红0.13 s）、长时多稳态（品红态>30天）和高循环稳定性（>5,200/8,400次）。