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科學(xué)家制出“摔不碎的屏幕”,兼具光電與機(jī)械性能的新型材料

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-11-16 來源:ZAKER瀏覽次數(shù):133
一不留神,手機(jī)從掌心掉落,撞擊的聲音聲聲入耳,外觀不僅受損,設(shè)備的使用壽命更可能受到影響,但假裝鎮(zhèn)定的我們還是如無其事地?fù)炱鹗謾C(jī),嘆一句 " 反正沒爆屏,就沒事 "。當(dāng)發(fā)生這樣的情況時(shí),你是否產(chǎn)生過這樣的想法:如果有一個(gè)摔不碎的屏幕就好了。

近日,一項(xiàng)發(fā)表于《science》雜志的研究進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了這個(gè)想法。澳大利亞昆士蘭大學(xué)領(lǐng)銜的國際合作團(tuán)隊(duì),以華人科學(xué)家王連洲教授為首開發(fā)出一種全新的復(fù)合材料,該材料有望生產(chǎn)出兼具穩(wěn)定性與優(yōu)越光電性能的下一代電子屏幕。

王連洲 1
文章發(fā)表在《science》上
 
01

全新技術(shù):量子點(diǎn)發(fā)光二極管
 
縱觀半導(dǎo)體顯示行業(yè)的發(fā)展,從常用的液晶顯示屏(LCD)到有機(jī)發(fā)光顯示屏(OLED),用于生產(chǎn)電子屏幕的材料在不斷的更新?lián)Q代。
 
當(dāng)前,一類名為量子點(diǎn)發(fā)光二極管(QLED)的全新顯示技術(shù)受到了研究人員和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注與青睞,這種屏幕擁有目前頂級的圖像呈現(xiàn)效果及性能。
 
量子點(diǎn)從實(shí)質(zhì)上來講是一種特殊的半導(dǎo)體納米材料 , 它三個(gè)維度的尺寸都在 100nm 以下 , 外觀恰似一極小的點(diǎn)狀物 , 其內(nèi)部電子的能量在三個(gè)維度上都是量子化的。通過對這種納米半導(dǎo)體材料施加一定的電場或光壓,它們便會發(fā)出特定頻率的光。
 
王連洲 2
不同大小的量子點(diǎn)在紫外線下發(fā)出不同顏色的光
 
02

巨大潛力材料的致命缺陷
 
由于光電性能優(yōu)異,近些年來鉛基鹵族鈣鈦礦納米晶被認(rèn)為是取代傳統(tǒng) OLED 電子屏幕、實(shí)現(xiàn)全彩顯示的最優(yōu)方案。
 
但目前,在實(shí)際的應(yīng)用場景中,這類具有巨大潛力的材料依舊存在著一個(gè)致命的缺點(diǎn):穩(wěn)定性差。具體表現(xiàn)為多態(tài)性、對極性溶劑的不穩(wěn)定性、相分離和對鉛離子浸出的敏感性。無論是氧氣、光照、熱處理還是極性溶劑,都很容易讓這種材料從光電性能良好的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。例如,在潮濕度較高的空氣中,鉛基鹵族鈣鈦礦納米晶的光電性能只能保持幾分鐘。
 
使用表面配體可能為其中一些問題提供解決方案,但同時(shí)也存在著問題——會引起一系列功能損失包括 LHP 表面配體的脫落、從而使相轉(zhuǎn)變,造成材料的降解。此外,這種材料在極性溶劑中穩(wěn)定性很差,并且其中的鉛容易泄漏、產(chǎn)生環(huán)境污染,造成安全隱患。
 
03

新復(fù)合材料保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定
 
為了解決這個(gè)問題,研究團(tuán)隊(duì)以一種全新的視角,開發(fā)了一種新的復(fù)合材料,通過液相煅燒方法和傳統(tǒng)球磨工藝將銫鉛碘鈣鈦礦納米晶包裹在多孔的金屬有機(jī)物骨架玻璃(MOF)中,形成高性能復(fù)合材料的工業(yè)粉末加工技術(shù)可以應(yīng)用于化學(xué)上制造穩(wěn)定的光致發(fā)光復(fù)合玻璃。
 
" 不同于傳統(tǒng)鈣鈦礦量子點(diǎn)的表面配體策略,我們主要通過 MOF 與鈣鈦礦材料表面形成的化學(xué)鍵以及尺寸效應(yīng)來提升表面活化能,從而使鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在。" 這項(xiàng)研究的通訊作者之一,任職于昆士蘭大學(xué)的王連洲教授表示。此外,MOF 可以防止空氣中的水蒸氣滲入,從而提升了這個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。
 
04

光電性能與機(jī)械性能,二者兼得
 
研究團(tuán)隊(duì)評估了不同環(huán)境與操作環(huán)境中的復(fù)合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在維持了鈣鈦礦納米晶極高的發(fā)光效率的同時(shí),新型材料還明顯改善了傳統(tǒng)鈣鈦礦量子點(diǎn)存在的穩(wěn)定性差的缺陷。這種可加工的復(fù)合材料對無論是在水和有機(jī)溶劑中浸泡,還是暴露在熱、光、空氣和環(huán)境濕度下,都表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。

 
王連洲 3
材料光致發(fā)光強(qiáng)度的變化,以及發(fā)光效果示意圖
 
王連洲教授指出:多個(gè)因素共同作用保證了材料穩(wěn)定、優(yōu)良的光電性能。首先,研究使用的鈣鈦礦材料自身具備很強(qiáng)的缺陷忍耐度,因此晶體生長過程中形成的缺陷對其發(fā)光性能影響較小;其次,玻璃充當(dāng) LHPs 的基質(zhì),通過界面相互作用有效穩(wěn)定非平衡鈣鈦礦相,這些相互作用還鈍化了 LHP 表面缺陷,提升熒光量子產(chǎn)量;此外,鈣鈦礦與 MOF 復(fù)合材料的界面上所形成的化學(xué)鍵,也在一定程度上阻止了鈣鈦礦材料的相變、避免了在極性溶劑或濕度較高環(huán)境中的降解。
 
除了優(yōu)良的光電性能,這種材料的機(jī)械性能同樣優(yōu)良。王連洲教授介紹稱,新型復(fù)合玻璃在微觀尺度上表現(xiàn)出了傳統(tǒng)無機(jī)玻璃材料所不具有的機(jī)械性能:" 由于其內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)比例較高,該種玻璃材料可以實(shí)現(xiàn)微觀尺度的彈性,宏觀上就降低了在應(yīng)力下斷裂的傾向。" 這正是這種材料制作的玻璃不容易碎裂的秘密。
 
實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了材料的高強(qiáng)度:研究人員通過納米壓痕測試,結(jié)果表明復(fù)合了鈣鈦礦納米晶的玻璃材料在楊氏模量及硬度方面都有所提升,進(jìn)一步證實(shí)了復(fù)合材料界面優(yōu)秀的相容性,為未來繼續(xù)提高復(fù)合玻璃材料的機(jī)械性能提供了有力的理論支撐。
 
這項(xiàng)研究為我們展現(xiàn)了一種顯示屏領(lǐng)域的全新材料。伴隨著后續(xù)研究的推進(jìn)與深入,或許這種擁有巨大應(yīng)用潛力的材料會真正大規(guī)模量產(chǎn)、改變我們的生活。未來的某一天,我們使用的電視機(jī)、電腦,以及手機(jī)的屏幕,都將不再面臨摔碎的風(fēng)險(xiǎn)。

 
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