電致變色是材料在外電場作用下自身顏色發生可逆變化的現象，三氧化鎢電致變色效應可製成電致變色器件並套用於實際生活中。
基本介紹
- 中文名：氧化鎢電致變色薄膜
- 外文名：Tungsten Oxide Electrochromic Thin Film
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電致變色
電致變色（Electrochromism, EC）是材料在外電場作用下自身顏色發生可逆變化的現象，研究發現許多過渡族金屬氧化物具有電致變色特性，這些金屬氧化物按著色方式可分為還原過程陰極著色材料（如W、Mo、V、Nb和Ti的氧化物）和氧化過程陽極著色材料（如Ir、Rh、Ni、和Co等氧化物）。其中，WO3是研究得最多的一種陰極著色電致變色材料。
電致變色材料要求具有良好的離子和電子導電性、較高的對比度、變色效率、循環周期、寫/擦效率等電致變色性能。按其結構和電化學變色性能可以分為兩類：一類是無機電致變色材料，其光吸收變化是因離子和電子的雙注入/抽取引起，其性能優越穩定；另一類是有機電致變色材料，其光吸收變化來自氧化還原反應，因色彩豐富，易進行分子設計而受到青睞。
發展歷史
◆早在20世紀30年代就有關於電致變色的初步報導。
◆20世紀60年代，Plant在研究有機染料時發現有電致變色的現象，並進行了研究。
◆20世紀70年代，出現了大量有關電致變色機理和無機電致變色材料的報導。
◆80年代末以來，新型有機電致變色材料合成和電致變色器件的製備成為一個日益活躍的研究領域。這期間，美國科學家C.M.Lampert和瑞典科學家C.G.Granqvist等人提出了以電致變色膜為基礎的一種新型節能窗，即靈巧節能調光窗(Smart window)，成為電致變色研究的另一個里程碑。
◆1999年，Stadt Sparkasse儲蓄銀行為德國德勒斯登的一座新建築物。這座大樓擁有歐洲第一面用電致變色玻璃製成的可控制外牆。
◆2004年1月，英國倫敦的瑞士再保險大廈玻璃幕牆使用電致變色技術。
◆2005年1月，法拉利Superamerica敞篷跑車的擋風玻璃和頂棚玻璃採用了電致變色技術。
◆2008年7月，波音787客機客艙窗玻璃淘汰了機械式舷窗遮陽板，採用了電致變色技術。
◆2009年10月，國內首個關於電致變色的綜合性網站電致變色網成立。
電致變色材料
無機電致變色材料
無機電致變色材料多為過渡金屬或其衍生物。過渡金屬氧化物中金屬離子的電子層結構不穩定，在一定條件下價態發生可逆轉變，形成混合價態離子共存的狀態。隨離子價態和濃度的變化，顏色也發生變化。根據變色特性又可以分為三種：還原態著色材料、氧化態著色材料和氧化/還原態均著色材料。
無機電致變色材料因具有化學穩定性好、與基板的粘附牢固、製備工藝簡單、抗輻射能力強、容易實現全固化等優點，目前仍是人們研究的重點；實用化前途最好的WO3是人們研究最多也是研究最為詳盡的材料。
有機電致變色材料
有機電致變色薄膜種類相對較多，同無機電致變色薄膜相比具有以下優點：成本低廉；循環可逆性好；光學性能好，顏色變換快；一般為多變色，即隨著氧化還原反應的進行，由一種顏色變為其它幾種顏色。但有機電致變色材料也存在化學穩定性不好，抗輻射能力差，與基板無機材料粘附不牢等缺點。按材料結構可將有機電致變色材料劃分為三類：氧化一還原型有機電致變色材料、導電聚合物有機電致變色材料和金屬有機鰲合物電致變色材料。
氧化還原型化合物
這類材料包括具有可逆電化學氧化還原性質、氧化態和還原態在不同可見光頻率下具有相當大的摩爾吸收係數（也可以其中之一對可見光不吸收）的有機化合物。一般來說，這類化合物由一定長度的共扼鍵（環）結構和給電子的雜原子兩部分組成，當中以雜原子化合物居多。
金屬有機鰲合物
過度金屬離子與多配位基配體形成鰲合物時，金屬離子的d軌道受配體的作用分裂成能級較低的t2g軌道和能級較高的eg軌道，這兩種軌道間的能級差（晶體場分裂能Δ）大都落在可見光能級範圍內，從而使金屬鰲合物呈現Δ的互補色。稀土鈦菁屬於此類化合物，它的結構式比較複雜，分子式可以縮寫為ReH(Pc)2。最引人注目的是鑥鈦菁LuH(Pc)2，它可以在外加電壓下由綠色氧化成紅色或還原為藍色和紫色。這種化合物的薄膜需通過真空方法製備，其特點是回響速度快，溫度範圍寬，但開關壽命不長。
導電聚合物
許多共扼聚合物被小分子攙雜後具有很高的導電性，摻雜劑種類和摻雜濃度除決定導電性外還支配顏色變化。如聚毗咯、聚唾吩、聚苯胺等這類材料是用於顯示器件最多的一類有機物，因為這些材料不僅是多變色材料（即隨氧化還原反應的進行，由一種顏色變到另一種顏色乃至多種顏色），而且可以通過電沉積和塗膜及噴灑等方法成膜，無須真空條件。
變色機理
關於WO3薄膜的電致變色機理，目前引用最廣泛的就是Faughnan提出的價間躍遷理論，即因外加電場的作用，電子和陽離子礦分別從薄膜兩側同時注入WO3中，電子被W原子俘獲形成局域態，金屬離子M+則駐留在此區域形成深藍色鎢青銅化合物MxWO3"在MxWO3中存在不同價態的W離子，電子在鄰近不同價態W原子之間的躍遷導致WO3薄膜顏色發生變化。其電化學過程如下式所示：
WO3(無色) +xM+xe→MxWO3（深藍色）
式中M一般為H、Li、Na、Ag等，0<x<1，例如H注入後形成HxWO3。
利用WO3的電致變色效應，研究人員已將其製備成各種電致變色器件套用於實際生活中。電致變色器件具有許多優良特性，如透光率可在較大範圍內連續變化（實用化需達到4:1以上），並可由人工隨意調節；驅動電壓低（1~2V），且電源簡單，耗電省；在顯示上無視角限制，有存儲功能且存儲時不消耗電能等。這些特性使得三氧化鎢電致變色材料在光學信息和儲存顯示器、軍事偽裝、特種智慧型窗等方面有著廣泛的套用前景。另外，在外加脈衝電壓作用下，WO3可以在無色和深藍色之間可逆變化，因而也可用作光致開關
