近日，南方科技大学材料科学与工程系温瑞涛副教授团队在电致变色机理研究领域取得新进展。该研究基于极化子理论框架，发现所有非晶阴极电致变色氧化物的变色行为都可以用小极化子和双极子的跃迁组合来描述，揭示了这些氧化物实现电致变色双波段调控特性的光学吸收起源，相关研究成果以“Polaron hopping induced dual-band absorption in all amorphous cathodic electrochromic oxides”为题发表在应用物理学期刊 Applied Physics Reviews 上。

电致变色氧化物具有动态调节可见光和近红外光谱的能力，因此在智能窗户、显示器和军事伪装方面具有巨大的应用潜力。这些应用主要取决于电致变色氧化物的光学特性，但引发其致色的光学吸收起源尚不清楚。

在该研究中，温瑞涛团队根据氧化物中的金属元素价态组成与变化，基于极化子理论建立了光吸收模型，并对传统的阴极电致变色氧化物（WO₃、MoO₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂）及两性电致变色V₂O₅的光吸收行为进行了系统研究。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进行比较，发现吸光谱图中两个突出吸收峰分别来源于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)+间的转移跃迁以及双电荷在Mⁿ⁺与M^(n-2)+的转移跃迁。

图1 极化子跃迁诱导WO₃的双波段光吸收

该研究结果进一步证明了小极化子和双极化子跃迁可以导致这些金属氧化物的双波段调控，即可见光和近红外吸收的分离调制。具体而言，在电荷插入的初始阶段，Mⁿ⁺和M^(n-1)+之间的小极化子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），促成了双极化子在Mⁿ⁺和M^(n-2)+位点之间跳跃，从而引发短波长范围内的光吸收。

图2 极化子跃迁诱导V₂O₅的多波段光吸收

小极化子和双极化子引发的双波段调控在V₂O₅中更为明显。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具有一致的着色机理，应被归类为阴极氧化物，而不是传统观念中的两性电致变色材料。该研究成果为阴极氧化物的电致变色提供了深刻理解，并为开发具有双波段调制的电致变色器件提供了理论依据。

图3 电致变色阴极氧化物的分类修正

南方科技大学博士研究生张人夫为论文第一作者，温瑞涛为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。论文作者还包括南科大材料系2022级硕士研究生殷梦涵，2023级博士研究生邵佩佩、黄庆姣，乌普萨拉大学教授 Niklasson。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。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0244549

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍

编辑：曾昱雯