Электрохромные устройства, позволяющие управлять пропусканием света с помощью регулировки приложенного напряжения, вполне могут стать серьезными конкурентами жидкокристаллическим дисплеям. Но, несмотря на их предполагаемые преимущества (в частности, низкую стоимость и механическую гибкость), производство подобных устройство до сих пор затруднено из-за хрупкости используемых материалов и их нестыковки с применяемыми электродами. В своей последней работе ученые из Турции обнаружили, что электрохромные устройства на основе графена демонстрируют модуляцию оптического сигнала на уровне 55%. Кроме того, эти устройства отличаются широким спектральным откликом, что делает их явным претендентом на роль будущего компонента «умных» окон и дисплеев.

Электрохромные устройства, как правило, вынуждают искать компромисс между высокой контрастностью (которая требует сильного оптического поглощения) и широким спектральным откликом.

Тем не менее, группа ученых из Bilkent University (Турция) предложила конструкцию устройства, сочетающего в себе высокую степень оптической модуляции и широкий спектральный диапазон работы (от УФ до ИК).

Чтобы добиться этого результата, ученые использовали графен для производства всех компонентов электрохромного устройства (ранее графен в подобных структурах пытались применить только в качестве электрода, но не в роли самого электрохромного материала). Целиком графеновая система отличается хорошей электропроводностью и механической гибкостью.

Рис. 1. Схематическое изображение электрохроматического устройства, разработанного турецкими учеными.

Предыдущие исследования демонстрировали около 2 – 3% оптической модуляции в однослойном графене на стеклянных и кварцевых подложках.

Это значение было ограничено невысоким оптическим поглощением графена, соответственно оно не приводило к достаточно высоким коэффициентам контрастности, чтобы использовать данный материал для создания дисплеев. Предпринимались попытки усилить эффект при помощи дополнительных слоев графена, но осажденные на твердых подложках многослойные графеновые структуры в процессе эксплуатации довольно быстро повреждались, что нарушало электрохромные свойства материала.

Исследователи из Турции применили альтернативный, более «мягкий» способ производства многослойного графена: они осаждали многослойные пленки на никелевой и медной фольге, а затем ламинировали эту структуру ПВХ пленкой при температуре не более 120 градусов по Цельсию.

Размещая жидкий электролит между двумя пленками графена на ПВХ, ученым удалось добиться неожиданного результата – оптической модуляции на уровне 55%, что во много раз превышает полученные ранее результаты для кварцевых и стеклянных подложек.

Выяснилось, что

ученые могут даже контролировать изменение оптической толщины графена.

Из предыдущих работ было известно, что

допинг однослойного графена может заблокировать межзонные переходы.

В то время как ионы электролита вполне могут обеспечить такой допинг, это явление не объясняет столь высоких уровней оптической модуляции во всем материале. Рамановские исследования показали, что

при напряжении выше определенного порогового значения легирующие вещества из электролита распределялись между слоями графена, моделируя оптические свойства каждого слоя. Таким образом, если каждый слой поглощает 2 – 3%, 10 слоев обеспечивает модуляцию на уровне 20%.

Чтобы показать перспективы своей разработки, ученые сделали прототип отражающего устройства, которое в лабораторных условиях выдержало 100 переключений без какой-либо деградации свойств. Система относительно проста и может быть легко доработана. Правда, пока еще переключения на высокой частоте или, наоборот, включение устройства в течение длительного времени приводят к некоторому ухудшению производительности.

В настоящее время команда стремится создать подобные устройства, в составе которых будет использоваться твердый электролит, что позволит сделать систему более компактной.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.