光致变色材料处于不同状态时通常有着不同物理和化学性能，通过光对两种状态进行调节，可以实现对材料性能的调控，在光学信息存储、防伪、智能光窗口、荧光开关等领域具有广阔的发展和应用前景。因此，如何获得着色对比度大、响应速度快、物理化学性质稳定的光致变色材料是近年来智能器件领域的重要研究方向。

光致变色材料通常可被分为有机、无机和有机-无机材料三类。与有机和有机-无机光致变色材料相比，无机光致变色材料具有许多优于有机光致变色材料的特点，比如变色持续时间长、热稳定性高、耐疲劳性好、机械强度高、宏观可控易成型等，能够更好的应用于信息存储、智能窗、传感器、智能开关和国防等诸多领域，近年来成为光致变色光学器件的首选。

无机光致变色材料的研究重点包括过渡金属氧化物（MoO₃、TiO₂和WO₃）、强氧化物（BaMgSiO₄、Sr₃YNa（PO₄）₃F和Sr₂SnO₄ 和铁电材料（Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉、Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅和（K_0.5Nb_0.5）NbO₃）。与强氧化物和铁电体相比，过渡金属氧化物通常具有较大的着色对比度（ΔR），但存在耐化学性弱、可逆性差和反应慢的问题。相比之下，铁电体和强氧化物的光致变色反应显示出较高的抗疲劳性和快速的着色过程（60-120秒），更适合现代可重复的光存储，但强氧化物和铁电体光致变色材料的ΔR仍处于相对较低的水平（~30%）。

研究团队经过深入探索，率先提出高性能光致变色陶瓷开发策略，实现了光致变色对比度高达64%的Ba(Zr_0.16Mg_0.28Ta_0.56)O₃陶瓷材料开发。高性能光致变色陶瓷开发的关键物理思想在于：高价离子的引入。由于Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃中的B位被Mg²⁺或Ta⁵⁺占据，其化学摩尔比例为1:2。Zr⁴⁺掺杂占据B位，Zr⁴⁺对Mg²⁺或Ta⁵⁺任意一种取代，都会偏离电荷平衡所需的电荷值+4。因此，在2-10纳米的范围内存在1:1化学排序的小区域，被Ta⁵⁺富集区域隔开。为了保持内部的电中性，对于Mg²⁺富集区域，Zr⁴⁺取代Mg²⁺将额外剩余两个正电荷并导致Ba²⁺空位；另一方面，对于Ta⁵⁺富集区域，Zr⁴⁺取代Ta⁵⁺将产生一个负电荷并产生氧空位。更多的氧空位将带来更大的光致变色对比度。

无机光致变色陶瓷工作示意图

用于即时信息录入的Ba(Zr_0.16Mg_0.28Ta_0.56)O₃陶瓷工作示意图

BaZr_0.16Mg_0.28Ta_0.56O₃:0.05%Pr³⁺与其他典型无机陶瓷的光致变色对比度和发光调制性能对比图

研究团队经过进一步研究探索，发现由于Ba(Zr_0.16Mg_0.28Ta_0.56)O₃陶瓷在365纳米辐照后的吸收带与Pr³⁺的发射/激发峰之间的完美重叠，在Ba(Zr_0.16Mg_0.28Ta_0.56)O₃:0.05%Pr³⁺中实现了92.5%的超大发光调制，表明该陶瓷在双模式光开关设备和光学信息存储中具有巨大的潜力。此外，这些突出的光致变色性能表明，本课题组提出的策略对其他高性能光致变色材料的设计开发具有重要的指导意义。

松山湖材料实验室高级工程师唐巍博士和松山湖材料实验室/中国人民大学联合培养博士研究生左传东为论文共同第一作者，松山湖材料实验室副研究员文子诚和松山湖材料实验室透明陶瓷团队负责人/中国科学院物理研究所研究员曹永革为论文共同通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金 (51872327)、珠江人才计划 (2019ZT08C321)、广东省基础与应用基础研究基金(2020A1515110652)、松山湖材料实验室创新样板工厂团队项目(Y9D1011L211)等多个项目的大力支持。