红外探测中应用的新型电致变色共轭聚合物研究

Present optics in IR imaging devices are hindered by costly, slow, bulky, mechanical components centered around cooling the entire system. Examples of current systems include: relatively bulky high magnification, helmet-mounted sensors that require large lens and telescope configurations, noisy mechanical shutters which limit the usefulness of many imaging systems in covert applications, expensive and bulky electronics required to mitigate focal-plane array (FPA) saturation effects (i.e., blooming) in all-weather applications, and bulky filters that are necessary to improve imaging contrast through haze and at dusk. The drive to reduce system size, weight and power consumption, while increasing the resolution and format of infrared imaging systems poses new and challenging performance requirements. Current efforts to address many of these challenges including development of light weight, fast, non-moving components have been focused on leveraging established micro-electro-mechanical systems (MEMS) approaches. However, development of reliable MEMS-based technologies has proven to be expensive, time-consuming and processing intensive. Herein, we propose to build and characterize conformal, polymer-based devices that can be fabricated directly onto pre-existing optical elements and dynamically alter the flux of incoming infrared radiation. Not only can these light-weight, low-power, low-cost devices operate to control the level of light reaching the FPA but the materials can be patterned using many top-down or bottom-up approaches and operate in aperture or coded aperture configurations required for many lensless imaging techniques. By characterizing and building these devices we will obtain multi-functional materials and devices that enhance infrared imaging capabilities while reducing system size.

无论在军事上还是民用领域，红外探测都扮演着不可或缺的角色。目前的红外探测仪器，存在体积大、生产成本高等问题，影响其广泛应用。一个重要原因是，探测仪中的遮光板目前都是通过机械方式控制的，结构复杂而且价格昂贵。共轭高分子电致变色材料可以通过外在电讯号的改变其特征吸收，特别是在红外波段的光吸收率变化幅度很大。而且，它具有机械电子部件无法比拟的体积小，加工方便和成本低等优点。但是，目前聚合物材料在对比度，响应时间和稳定性方面还需提高。本项目拟开发新型共轭聚合物，通过结构的优化，提升材料的上述性能，满足实际应用中对材料的要求。不仅可以降低红外仪的体积和成本，而且更加容易加工成不同的形状用于孔径成像。对这类电致变色材料和器件加工研究，可以为解决下一代红外探测中的核心问题提供新思路和新方法。

本项目按照计划要求，合成了一系列聚酰亚胺基共轭高分子、金属/聚合物基复合材料，并初步研究了他们的光电性能，主要内容如下：.首先，本课题合成了具有不同共轭单元的亚胺聚合物。从结构上，材料有着比较高的共轭度，有利于电荷的迁移。同时，结构刚性比较大，有利于离子在迁入迁出。本项目首先研究了该材料的电致变色性能。实验结果表明，两种材料有着类似的电致变色行为，在不同电压下，材料在红外波段的吸光率有着明显的改变，在近红外区（1000nm-1500nm）的透光率较小。材料的开关性比较优越，特别是PI-1的开关速度在1s左右。可能是由于材料较高的导电性造成的。材料的对比度可以达到50%，初步满足了应用要求。但是由于材料自身结构的原因，起较大的共轭体系造成在红外波段的吸收比较严重，进而导致器件对比度较低。 .随后，项目合成了一系列聚合物基/金属氧化物复合材料。其中金属氧化物为氧化镍、氧化钴、氧化钨的纳米颗粒。这类金属氧化物具有多重氧化态，在电场作用下发生氧化还原，在不同氧化态的特征吸收都不同。为了提高导电性，我们选择了有一定导电性的聚合物为修饰剂，形成聚合物包覆金属氧化物结构的材料。实验过程中我们发现所合成的聚合物包覆金属氧化物量子点在电场的驱动下会发生电致变色现象，而且其变色速度也比纯的金属氧化物薄膜材料快很多。碳材料包覆层结构较为疏松，有利于离子在其内部的迁移。但实际研究表明，材料存在如下主要问题：1. 复合材料变色过程可逆性很差，在完成一两个循环后就基本失效；2. 复合材料制备的薄膜稳定性不好，在电致变色的过程中发生脱落，影响了器件的性能。 .最后，为了拓展所制备复合材料的应用范围，本项目将其用于电化学储能领域。聚酰亚胺基聚合物中的三嗪和酰亚胺结构有效的提高了材料容纳离子的能力。同时，聚合物的交联提高了材料的稳定性，减少了在充放电过程中的氧化还原反应造成的容量流失。并且，高共轭度的结构单元提高了充放电过程中载流子和离子的迁入迁出速度。同样，聚合物基/金属氧化物复合材料在储能领域中也呈现出良好的循环稳定性能和倍率性能。其优异的电化学性能归因于，金属氧化纳米颗粒与氮掺杂碳材料的相容性好，形成的纳米颗粒均匀的分散在材料内部。而且具有丰富空穴位的N-掺杂碳材料有助于提高复合材料的导电性，有效缓解了金属氧化纳米颗粒的体积膨胀。因此，本项目制备的材料各项电化学性能均优于石墨基电极。