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林雪平大學Magnus Jonsson教授 NPJ Flex. Electron.:基于導電聚合物纖維素紙的紅外可調光學器件
2024-09-06  來源:高分子科技

  中紅外光(MIR,波長從3微米到30微米)能夠用于探測有機分子的指紋頻譜、局域化載流子的分布以及物體的熱輻射特征,在民用和軍事領域具有重要的戰略價值。然而被廣泛應用在生物傳感、熱偽裝和輻射制冷等領域的MIR光學器件往往都是被動式器件,無法對紅外光進行動態調控,難以應對復雜多變的環境以及日益增長的智能化系統需求。近年來,具備主動調控特性的MIR器件研究取得了一定的發展,這主要體現在兩個方面:基于熱電控溫器件集成、微機電系統集成的疊層器件成功實現了對紅外反射、輻射的精確調控,但卻需要依賴于繁瑣的加工條件和復雜的器件結構,且較難實現大面積器件制備和柔性器件應用;基于相變材料等(包括GST、MXene)的新型材料的MIR器件,通過溫度、濕度、機械拉伸等調控方式,能夠對紅外反射、輻射實現大范圍的控制,但其自身較差的可逆性、較慢的相應速度以及不精密的調控手段,嚴重限制了其實際應用。除上述問題外,紅外信號的調控往往伴隨著可見光信號的同步調控,而這一點卻是紅外隱身、防偽等應用中需要避免的。綜上所述,探索具有低成本、高柔性、具有較大紅外調控范圍且保持可見光性質固定的MIR光學器件至今依舊是本領域研究的關鍵難點之一。


圖1 基于導電聚合物合纖維素的功能紙(CPC)及其相關器件概念示意圖。


  聚焦這一問題,瑞典林雪平大學有機電子實驗室的Magnus Jonsson教授及其團隊近日設計出了一種基于導電聚合物和纖維素的柔性功能紙(CPC),并通過CPC構成的固態電化學器件,成功在1.5V電壓范圍內,實現了約0.4的紅外發射率調控,且在調控過程中器件可見光性質保持不變。器件的結構如圖1所示,主要包括兩張CPC紙以及夾在其中的膠體電介質層。CPC紙的主要成分是導電聚合物PEDOT:PSS和纖維素。兩者直接物理混合,通過簡單的機械攪拌,盛放在蒸發皿中,放置在通風櫥中2天或約60℃的烘箱6小時后,即可通過簡單的機械剝離獲得一張CPC紙。CPC紙既是紅外調控活性層,也是器件的電極。對頂層CPC紙施加正電壓,負離子會被注入到頂層CPC紙中,通過其優越的離子滲透特性抵達器件表面,增強表面紅外反射(摻雜或氧化);反之,離子則會被驅離回電介質層中,表面恢復電介質特性,產生較低的紅外反射特性(圖2)。在摻雜的過程中,CPC紙的可見光性質非常未定,反射率變化低于0.5%,外觀顏色保持藍黑色不變。


圖2 CPC紙的基本可見光、紅外特性以及機械性能。


  基于這一特性,該團隊探索了該紅外器件的四種不同應用場景,分別是輻射制冷控制(圖3)、熱偽裝(圖4)、防偽標簽(圖5)和動態紅外顯示(圖6)。CPC紙在電壓調控下產生的摻雜行為在改變材料表面的鏡面反射的同時,也帶來了紅外發射率的大幅度變化(圖3)。在電壓從-1.5V到1.5V的調控范圍內,CPC紙的絕對發射率可以產生約0.40的變化范圍。將該CPC紙直接置于室外進行夜間測溫,測試結果顯示氧化態的CPC紙可實現1.0到1.5℃的降溫效果。基于CPC紙的電化學器件在室內的天空模擬器中,則呈現出了超過0.42℃的溫度調控范圍,效果勝于之前基于PEDOT:Tos薄膜的輻射制冷調控器件紀錄(0.25℃,Banerjee et al., Cell Rep. Phys. Sci., 2023, 4, 101274)。


圖3 CPC紙器件的輻射制冷調控應用場景。

圖4 CPC紙器件的熱偽裝應用場景。

  紅外相機所測量的溫度一般依賴于物體的真實溫度以及物體的紅外發射率。如上所述,CPC紙的摻雜帶來了紅外發射率的變化,因此,即使物體真實溫度保持不變,通過電壓的調控我們也可以實現對紅外相機拍攝得到的表觀溫度進行精確控制。如圖4所示,在電壓-1.5V到1.5V區間,CPC紙器件的表觀溫度可以從-9.6℃變化到-23.2℃。利用這一較大的變化空間,基于CPC紙器件的裝置可以應付多種不同的變溫環境,因而具備較高的熱偽裝、熱隱身應用價值。


圖5 CPC紙器件的紅外防偽標簽應用場景。

圖6 CPC紙器件的動態紅外顯示應用場景。

  在熱偽裝的基礎上,通過電解質層的圖案化,或者引入具有紅外高透射率的色素染料,我們可以實現信息的隱藏與偽裝(圖5)。同樣地,以CPC紙器件為基本平臺,我們可以在其上構建簡單的薄膜或圖層,利用CPC紙的高離子滲透特性,實現對表面薄膜圖層的控制。以圖6為例,采用導電聚合物PEDOT的氣相聚合和紫外曝光手段,我們可以在CPC紙器件上構建各種精美的圖案,并實現對上述圖形在紅外相機中的動態顯示,而該器件在肉眼看來仍舊保持藍黑色沒有發生任何變化。


  CPC紙取材于價格低廉且早已商業化的PEDOT:PSS和纖維素材料,只需要簡單的設備和工藝就可以實現大面積的制備,且性能穩定均勻性好。而基于CPC紙的電化學調控器件,不僅自身具有較好的MIR調控特性,還可以作為一個基本的器件平臺,用于集成各類的薄膜、器件,利用CPC紙自身的電極特性、高離子滲透特性,實現更加豐富的調控模式,從而面向更加復雜、精細的應用場景。


  該工作以“Electrically tunable infrared optics enabled by flexible ion-permeable conducting polymer-cellulose paper”為題發表在NPJ Flexible Electronics上(doi: 10.1038/s41528-024-00339-7)。文章第一作者是林雪平大學博士后曠超陽博士,林雪平大學博士后陳尚志博士為文章的共同通訊作者。該研究得到了瑞典研究理事會、歐盟研究理事會、瑞典政府戰略基金、瑞典瓦倫堡基金會、瓦倫堡木材中心、數字化纖維素中心、瑪麗居里-瑞典創新研究局聯合基金等基金的支持。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41528-024-00339-7

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