光电变色响应材料的新机制设计及器件

光致变色和电致变色材料是变色响应材料的一大类，在高密度信息存储、新型显示器件、微纳米光机电系统、光通讯、智能识别、环保型建筑的自动调节阳光的"智能"窗等有不可或缺的应用。紫精以及导电聚合物同时具有光致变色和电致变色的功能，变色机理都是电子的注入或抽取的氧化还原反应，但它们的光致变色和电致变色经由不同的电子注入途径，因此，机理上不能交叉，即不能通过光写入电擦除，或电写入光擦除。本项目我们将研究采用包括多种纳米材料，再结合用外电场作用等方法，使光激发产生的光电子转移、分离出来，实现光致生色、电致退色，使EC和PC的机理交叉。通过光学可以实时、快捷输入精细的图像，电致变色器件可以不需要复杂的图形电路，以新的方式显示和信息存储，进一步可以开发出全光写入、电擦除的新一代高密度信息存储器件，并可能实现三维图象的实时显示，项目具有极大的科学和应用价值。

本课题从三方面开展了研究：1）研究紫晶类变色响应材料的光致变色和电致褪色交叉的机理，即实现光写入、电擦除；2）探索紫晶高分子变色功能材料的性能和高效制备方法，开发应用价值；3）研究紫晶功能基团的新化学特性和新应用。在第一方面，发现虽然小分子紫晶制备器件，不能实现光写入、电擦除的变色模式，但将高分子化的紫晶固定在器件的电极上，限制变色官能团在器件电极间的自由迁移，可以使器件具有可逆的光写入、电擦除性能，实现光致和电致变色的交叉转化，而且器件有较好的可逆稳定性。推出了光写入-电擦除的变色机理：紫外光辐照下在两电极之间生成了聚紫精阳离子自由基，使器件着色，当对器件施加外加电压时，在正极的单价阳离子自由基被氧化成初始的二价紫精阳离子，而靠近负极的阳离子自由基则可能被还原为零价的聚紫精。因为二价和零价的紫晶可见光范围内均为消色态，因而器件在外加电场的作用下褪色。在第二方面，合成和表征了多种侧基以及超支化的聚合物紫晶，建立了光固化一步制备紫晶功能薄膜的方法，用多种手段考察和研究了薄膜的结构以及光致-电致变色性能，发现这些薄膜有优异的变色响应能力和稳定性，为紫晶功能材料的应用取得了数据；还建立了一种以聚合物乳液粒子制备纳米多孔膜的方法，用单一粒子可以得到光学透过率>99%的多孔膜，用两种粒子配合则可调剂多孔膜的孔隙率，并获得优异光学减反性能和耐超声清洗的能力，为器件的多孔电极制备提供了理论基础指导。在第三方面，发现在适当条件，紫晶分子可以催化/引发丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸酯酯类单体进行光聚合，效率与商品光引发剂相当，用纳秒闪光光谱以及顺磁波谱等手段研究了光聚合的中间态，提出了紫晶的催化/引发聚合机理。研究工作已发表论文10篇，获发明专利1项，培养多名博、硕士研究生。