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。
圖2 CPC紙的基本可見光、紅外特性以及機械性能。
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。
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。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41528-024-00339-7
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