南科大Appl.Phys.Rev.：極化子躍遷誘導電致變色氧化物的雙波段光吸收

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電致變色氧化物具有動態調節其自身光學特性的能力，因此在智慧窗戶、顯示器和軍事偽裝方面具有重大的應用潛力。尤其近年來，電致變色氧化物展現出的可見/近紅波段的獨立調控能力，使其在智慧建築節能領域擁有可觀應用前景。然而，儘管這些應用取決於電致變色氧化物的光學特性，但其致色機制尚不清楚。

來自南方科技大學材料科學與工程系的溫瑞濤團隊，近期在電致變色的光吸收機理方面取得了新進展。該團隊基於極化子的形成與運動，闡明瞭非晶陰極電致變色氧化物的變色行為，即小極化子和雙極子的躍遷組合，並進一步揭示了其雙波段調控特性的來源。相關研究成果以“Polaron hopping induced dual-band absorption in all amorphous
cathodic electrochromic oxides”為題，發表在Applied Physics Reviews，並被選為“Featured
Article”。

圖1 小極化子與雙極化子的躍遷與能量分佈

在該研究中，團隊依據氧化物中的金屬元素價態組成，基於極化子理論建立了光吸收的模型，系統地研究了多種陰極電致變色氧化物（WO₃、MoO₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂）以及傳統被認為是兩性電致變色材料的V₂O₅的光吸收演變。透過將非晶陰極電致變色氧化物的光密度譜與極化子吸收模型對比，發現吸光譜圖中兩個顯著的吸收峰分別來源自小極化子和雙極化子的電荷轉移躍遷：即單一電荷在Mⁿ⁺與M^(n-1)+位點間的轉移躍遷，以及雙電荷在Mⁿ⁺與M^(n-2)+位點間的轉移躍遷。

圖2極化子躍遷誘導WO₃的雙波段光吸收

該研究進一步證明了小極化子與雙極化子躍遷的組合可以實現陰極金屬氧化物的雙波段調控特性，即分別對可見光和近紅外光的吸收進行獨立調節。在電荷注入的初期階段，小極化子中的局域電荷在Mⁿ⁺和M^(n-1)+位點之間的躍遷引發近紅外的光吸收。而進一步的電荷插入導致M^(n-2)+的形成（TiO₂除外），促成了雙極化子中的雙電荷在Mⁿ⁺和M^(n-2)+位點之間的躍遷跳躍，進而引發短波長範圍內的光吸收。

圖3 極化子躍遷誘導V₂O₅的多波段光吸收

圖4 電致變色陰極氧化物的分類修正

小極化子和雙極化子引發的雙波段調控在V₂O₅中尤為顯著。在較大的離子插層下，V₂O₅在短波範圍表現出強烈的光吸收，在長波長範圍則表現為微弱的光吸收，從而呈現出“偽”陽極特性。因此，在極化子躍遷的理論框架內，V₂O₅與其它陰極電致變色氧化物擁有相同的著色機理，應被歸類為陰極氧化物，而非傳統意義上的兩性電致變色材料。

本工作基於小極化子和雙極化子躍遷，展示了所有非晶態陰極電致變色氧化物的光吸收特性。此外，該研究工作針對V₂O₅修正了其電致變色材料分類。該成果為深入理解陰極氧化物的電致變色提供了理論依據，併為開發具有雙波段調節特性的電致變色器件提供了重要參考。

本研究的第一作者為南方科技大學的張人夫博士。論文作者還包括南科大材料科學與工程系的碩士研究生殷夢涵、博士研究生邵佩佩、黃慶姣博士、以及烏普薩拉大學的Niklasson教授。該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省科技廳、深圳市科技創新局等單位的支援。