通过将亚波长金属纳米结构与传统的电致变色材料相结合，南京大学徐挺教授研究组与美国国家标准技术研究院（NIST）以及Sandia国家实验室合作研发了一种拥有很高光强调制对比度和快速响应时间的全彩色电致变色器件。
电致变色是指材料的光学属性在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。电致变色材料是目前公认的最有发展前途的智能材料之一，在包括节能建筑材料，信息显示器件、电致变色智能窗、无眩反光镜、电色存储器件等方面有着广泛的应用前景。最近，由美国波音公司推出的最新型号波音787客机的客舱窗玻璃淘汰了传统机械式舷窗遮阳板，全部采用了电致变色智能玻璃。乘客只需要轻轻一按就可以随意调节玻璃遮阳板不同的透光程度，实用性和易用性大大增强。此外，越来越多的汽车生产厂商也将电致变色技术引入到反光镜，挡风玻璃和顶棚天窗玻璃设计中，从而可以最大程度的解决强光干扰，提升汽车行驶的安全性和舒适性。
作为电致变色器件中的常用材料，通过氧化还原反应实现电致变色效果的有机高分子聚合物由于光学性能稳定, 合成工艺简单以及器件成本低廉而备受关注。对于传统的聚合物电致变色器件，其发生褪色和染色的响应时间一般在几秒到几十秒左右。这一过慢的响应时间在很大程度上限制了器件的应用范围，例如需要高速动态切换的显示设备。虽然减小聚合物材料层的厚度从而加快电子／离子的注入可以在一定程度上缩短器件的响应时间，但过小的材料厚度会直接导致电致变色材料器件在染色和褪色状态下对光吸收总量的差异变小，从而影响到器件的光强调制对比度。因而对于传统电致变色器件来说，光强调制对比度与响应时间是矛盾的两方面，很难同时实现高光强调制对比度与快速响应时间，印证了古语“鱼与熊掌不可兼得”。此外，除了响应时间和对比度，对于常用的电致变色材料来说，其在染色状态下对光的吸收只集中在某一波段，因而光吸收后所呈现的颜色对于一种特定的材料是固定的。所以当需要设计一个包含多种颜色的电致变色器件，例如彩色显示设备时，通常要包含多种不同种类的电致变色材料。不同材料之间光学性能的差别，化学性质的兼容性以及分步骤的加工工艺都会使得器件的复杂度和制造成本急剧增加。
南京大学，NIST以及Sandia国家实验室的国际合作研究团队利用自身在纳米光子学与材料合成研究领域中的多年积累，另辟蹊径，利用亚波长金属结构中的存在表面等离子体效应同时解决了传统电致变色器件中光强调制对比度和响应时间的矛盾问题，实现了“鱼与熊掌两者兼得”。研究团队通过亚波长金属光栅结构将入射光转变为具有高局域特性，仅沿着金属与材料交界面传播的表面等离子体（图1）。这一转变极大提高了光场能量与薄膜材料层的等效接触面积，提升了材料层在氧化状态下对光场能量的吸收量，从而增强了器件在氧化／还原状态下的光强调制对比度。同时，由于采用了厚度极小的电致变色聚合物材料层（约为15nm），在保证了高光强调制对比度的条件下加速了电子／离子的注入从而实现了器件的快速响应，最终获得了具有超过90%光调制对比度以及小于20毫秒响应时间的聚合物电致变色器件。同时，通过优化设计亚波长金属光栅结构参数，研究团队只利用一种常用的电致变色聚合物材料PolyProdot-Me2便在整个可见光波段范围内实现了全彩色的电致变色器件（图2）。这一研究对于进一步提升器件光学性能，降低器件材料复杂度以及扩展高速动态应用起到了非常关键的作用，从而对于推进电致变色器件的实用化进程有着重要的现实意义。该技术已经申请了相关国际专利。
该成果以“High Contrast and Fast Electrochromic Switching Enabled by Plasmonics”为题，于2016年1月27日在《自然•通讯》（Nature Communications doi:10.1038/ncomms10479）上在线发表。徐挺教授为该论文的第一作者及通讯作者，论文第一通讯单位为南京大学。该项研究得到了国家青年千人计划和人工微结构科学与技术协同创新中心等的资助。
图1，上部：基于表面等离子体亚波长金属结构的全彩色电致变色器件结构示意；下部从左至右：亚波长金属光栅结构在电化学沉积高分子聚合物之前，之后以及局部放大的扫描电子显微镜图片。
图2，全彩色的电致变色器件实验测试结果。