电致变色(Electrochromism,EC)现象,是指某些特定的有机或无机材料,当对其施加一定程度的电压时,这一类材料的光学属性会发生可逆的变化。通常来说,电致变色现象产生的原因是这些特定材料在电场的作用下发生了可逆的氧化还原反应,随着电解液中离子的掺杂与去掺杂,相对应的氧化还原产物则会表现出不同的光学属性(如吸收、透过以及反射等)从而表现出电致变色现象。由于能发生电致变色的材料(Electrochromic Materials,ECMs),其光学属性可以根据电场变化进行可控的调节,并且其制备手段较为灵活多变,原材料易于获得,因此电致变色材料已经被广泛的应用到了各种光学领域,如防眩目后视镜、变色眼镜、智能窗、电子显示原件等。在众多的有机与无机电致变色材料中,有机小分子因其具有优异的结构可修饰性、颜色表现丰富、光学对比度高以及着色褪色响应迅速等特点受到了科研工作者的广泛关注。其中紫罗精(4,4-联吡啶二价阳离子盐)、苯甲酸酯分子及二者的各种衍生物因具有优秀的电致变色性能而拥有巨大的市场化前景。本文主要围绕紫精以及苯甲酸酯这两类材料展开研究,通过引入一系列含有取代基的芳香环来调节这些材料的分子结构,得到了一系列具有丰富光学性质的紫精衍生物以及苯甲酸酯衍生物电致变色材料。研究工作主要集中在对这些衍生物分子电致变色机理的解释、吸收和透过光谱的研究以及相对应电致变色器件响应性能的数据采集上,研究包括以下三个章节:第一和第二章节的工作中,我们在传统紫精结构(N,N-二甲基-4,4-联吡啶二价阳离子盐)的两个吡啶环中引入了两类芳香环体系,一类是带有如烷氧基、三氟甲基等六种具有不同电负性取代基的苯环;另一类是大共轭体系的如蒽、萘等芳香环。当引入第一类取代苯体系时,得到的六种紫精衍生物与传统的紫精相比表现出明显不同的电化学性质以及光学性质。由于不同取代基的电负性差异,我们以此调节了六种取代苯紫精衍生物的分子能级以及能带间隙,因此这类衍生物显示出从粉红到深蓝色的丰富色彩以及超过60%的光学对比度,并且六种材料都具有高于180 cm2/C着色效率,这样的光学性质在所有的电致变色材料中都是出类拔萃的。另外,由于改变了共轭骨架,致使这类衍生物分子的电化学性质与传统的紫精相比有巨大的差异。我们通过原位电化学测试解释了这一类紫精衍生物的电致变色机理,分析出这类紫精衍生物分子的电化学反应过程是通过多电子还原以及还原产物之间电子交换的协同作用实现的。我们同时研究了基于这类取代苯紫精衍生物的电致变色器件,得到了器件的响应性能以及长期循环稳定性能。结果表明器件在±1.5 V的工作电压下可以做到在1 s之内实现完全着色,且能够在10 s左右通过自擦除效应褪色。这一系列的器件还可以在该电压下经历数千次的循环而没有明显的光学衰退出现,证明了这一类取代苯紫精衍生物在电致变色显示领域中被实际应用的可能性。而另一类基于大芳香环体系的四种紫精衍生物在性质上与取代苯紫精衍生物类似,我们依旧通过研究其循环伏安特性了解这些材料的电致变色过程,并且通过研究器件的光学属性得到了相应的电致变色参数。这一系列芳香环紫精衍生物依旧表现出了超高的光学对比度、丰富且饱和度高的色彩、数十秒的响应速度以及上千次的循环稳定性。此外,由于芳香环的引入增加了分子结构的共轭程度,这四种紫精衍生物分子同样具有令人惊喜的电致荧光变色性质,其荧光发射在电场的调控下可在“开”与“关”之间可逆地转换。具体数据我们将在正文中进行讨论。在第三章的工作中,我们在对苯二甲酸酯的结构基础上增大了其共轭程度,通过在苯环核心两侧引入了带有不同取代基的苯环从而制备出了四种基于三联苯共轭骨架的苯甲酸酯衍生物。由于取代基的电负性差异,得到的四种苯甲酸酯衍生物具有差异较大的能带间隙,因而表现出了丰富的光学性质。在着色态,四种苯甲酸酯衍生物显示出了海军蓝、紫色、粉红色以及墨绿色的饱和色彩,四种材料在褪色与着色之间的光学对比度都大于50%,并且具有较令人满意的着色效率。同时,我们依然通过研究四种苯甲酸酯衍生物的循环伏安测试分析了其电化学性质,并与原位电子自旋共振测试联用首次证明了苯甲酸酯类材料的电致变色机理。我们推测出苯甲酸酯类分子在电解池的阴极共分两步被还原为苯甲酸酯二价阴离子,而第一步还原得到的产物为一种带有强烈光谱吸收的阴离子自由基,这就是苯甲酸酯类材料产生电致变色现象的原因。此外由于烷氧基的富电子效应,Oxy-p这种苯甲酸酯衍生物表现出了令人意外的电致荧光变色特性,它明亮的蓝色荧光在电场的作用下能够可逆地在发射与淬灭之间转换,这种独特的电致荧光变色现象为此类苯甲酸酯材料在荧光显示领域提供潜在的应用前景。