NSR：具有可見光和近紅外雙波段調控的快速響應電致變色氧化物

海歸學者發起的公益學術平臺

分享資訊，整合資源

交流學術，偶爾風月

可見光和近紅外光雙波段可逆調控是電致變色材料追求的核心效能之一，全面理解並精確調控雙波段特性，對於提升未來電致變色器件的功能性和應用場景至關重要。然而，傳統電致變色氧化物通常面臨單一調控模式（即可見光和近紅外光（NIR）同時變化）、響應速度慢以及長期穩定性不足等問題。為了實現雙波段調控，近年來學者嘗試將表面局域等離激元共振（LSPR）引入電致變色材料中，以實現對近紅外部分的獨立調控。然而，LSPR 必須依賴於分散的奈米晶，無法在連續薄膜中實現。此外，奈米晶對於全固態器件而言也存在巨大挑戰，尤其是在當前主流的磁控濺射大規模沉積技術背景下更難實現。迄今為止，針對快速響應、迴圈穩定的雙波段調控仍未有令人滿意的解決方案。

圖1 TT-Nb₂O₅薄膜的雙波段調控特性與物理機制

在此背景下，南方科技大學溫瑞濤團隊報道了TT-Nb₂O₅（準六方相）薄膜具有雙波段調控能力，併兼具快速響應動力學和優異的效能保持性。在離子/電子雙注入過程中，Nb 3d 導帶發生分裂，形成子能帶並逐漸向價帶方向移動，同時由於能帶填充，費米能級穩步上升。因此，TT-Nb₂O₅的雙波段調控是透過子導帶下移與費米能級上升的協同作用實現的，這一機制主要歸因於體系內非等效的氧原子，明顯區別於基於LSPR誘導NIR調控的奈米晶材料體系。因此，雙波段調控不再侷限於奈米晶體系，而是可以透過大面積和連續直接沉積方式實現。TT-Nb₂O₅呈現二維層狀結構和沿b軸開放的孔道，具有極低的空間位阻，有利於離子的快速擴散。其效能優於主流的晶體和非晶WO₃以及其他的陰極電致變色氧化物。

圖2 TT-Nb₂O₅的快速響應動力學和迴圈穩定性

由於體積變化可忽略且無結構相變，該材料在超過 10⁴ 次迴圈後電致變色效能未出現可觀測的衰減。透過將 TT-Nb₂O₅與無電致變色活性的釩鈮氧化物（NbVO₅）組合，可在完整器件中實現雙波段調控。模擬結果顯示，對於典型的中型辦公建築而言，若採用具備雙波段調控功能的智慧窗，在炎熱氣候區域可實現高達 160 GJ 的能耗節省，而在實現可見光與近紅外光完全阻隔的情況下，節能潛力可達225 GJ，其效能明顯優於傳統的 WO₃/NiO_x結構。

圖3 智慧窗全球節能減排潛力評估

這項成果發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR），南方科技大學黃慶姣博士為論文第一作者，溫瑞濤副教授為通訊作者。南方科技大學羅光富和黎長建副教授在DFT計算和高分辨電鏡表徵方面提供了技術支援。該研究工作得到了國家自然科學基金、粵港澳微納米制造技術聯合實驗室專案、廣東省科技廳重點實驗室專案、南方科技大學高水平專項基金專案資助。