光致變色材料原理
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光致變色材料原理
光致變色材料原理
不同類型的光致變色材料具有不同的變色機(jī)理，尤其是無機(jī)光致變色材料的變色機(jī)理與有機(jī)材料有明顯的區(qū)別。
光致變色材料
典型無機(jī)體系的光致變色效應(yīng)伴隨著可逆的氧化-還原反應(yīng)，如WO3為半導(dǎo)體材料，其變色機(jī)理可用1975年由提出的雙電荷注入抽出模型解釋，即在紫外光照射下，價(jià)帶中電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，產(chǎn)生電子空穴對，隨后光生電子被W（VI）捕獲，生成W（V），同時(shí)光生空穴氧化薄膜內(nèi)部或表面的還原物種，生成質(zhì)子H+，注入薄膜內(nèi)部，與被還原的氧化物結(jié)合生成藍(lán)色的鎢青銅HxWO3，該藍(lán)色是由于W（V）價(jià)帶中電子向W（VI）導(dǎo)帶躍遷的結(jié)果。另一種變色機(jī)理是等在1980年所提出的小極化子模型，他們認(rèn)為，光譜吸收是由于不等價(jià)的2個(gè)鎢原子之間的極化子躍遷所產(chǎn)生，即注入電子被局域在W（V）位置上，并對周圍的晶格產(chǎn)生極化作用，形成小極化子。入射光子被這些極化子吸收，從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)，可簡略表示如下：
由于上述變化不會引起材料晶體結(jié)構(gòu)的破壞，因此典型無機(jī)材料的光致變色效應(yīng)具有良好的可逆性和耐疲勞性能。
有機(jī)體系的光致變色也往往伴隨著許多與光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的過程同時(shí)發(fā)生，
從而導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)的某種改變，其反應(yīng)方式主要包括：價(jià)鍵異構(gòu)、順反異構(gòu)、鍵斷裂、聚合作用、氧化-還原、周環(huán)反應(yīng)等。以偶氮化合物為例，其光致變色效應(yīng)基于分子中偶氮基-NN-的順-反異構(gòu)反應(yīng)，通常偶氮化合物順-反異構(gòu)體有不同的吸收峰，雖兩者一般差值不大，但摩爾消光系數(shù)往往相差很大，另外，偶氮化合物還有明顯的光偏振效應(yīng)，即光致變色效果與光的偏振態(tài)有關(guān)。生物光致變色材料如細(xì)菌視紫紅質(zhì)等的感光效應(yīng)也屬于這一類反應(yīng)機(jī)制。
由于無機(jī)半導(dǎo)體光致變色材料的光生電子空穴對有很強(qiáng)的氧化-還原性能，因此可以通過與有機(jī)染料復(fù)合來增強(qiáng)其光致變色效應(yīng)。當(dāng)WO3與某種無色的還原態(tài)染料隱色體混合時(shí)，則在光照下染料隱色體的電子可被激發(fā)并向前者的導(dǎo)帶中注入電子，該光致氧化-還原反應(yīng)的發(fā)生可在形成藍(lán)色鎢青銅HxWO3的同時(shí)，生成摩爾消光系數(shù)很高的有色染料。這種有機(jī)-無機(jī)復(fù)合光致變色器件不僅可以大大提高體系的光敏度，擴(kuò)充光致變色材料的種類和顏色范圍，而且有助于充分利用太陽光中極為豐富的可見光譜能量來激發(fā)光致變色效應(yīng)
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