Digitalt programmerbare perovskite nanotråd-blok copolymer kompositter

Endimensionelle nanomaterialer med stærkt anisotrope optoelektroniske egenskaber kan bruges inden for energihøstningsapplikationer, fleksibel elektronik og biomedicinsk billedbehandlingsudstyr. Inden for materialevidenskab og nanoteknologi, 3-D mønstermetoder kan bruges til præcist at samle nanotråde med lokalt styret sammensætning og orientering for at tillade nye optoelektroniske enhedsdesign. I en nylig rapport, Nanjia Zhou og et tværfagligt forskerhold ved Harvard University, Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering, Lawrence Berkeley National Laboratory og Kavli Energy Nanoscience Institute udviklede og 3-D-printede nanokompositblæk sammensat af lysemitterende kolloidt cæsium blyhalogenid perovskit (CsPbX) ₃ , hvor X =Cl, Br, eller I) nanotråde.

De suspenderede de lyse nanotråde i en polystyren-polyisopren-polystyren blokcopolymermatrix og definerede nanotrådsjusteringen ved hjælp af en programmeret udskriftssti. Forskeren producerede optiske nanokompositter, der udviste stærkt polariserede absorptions- og emissionsegenskaber. For at fremhæve teknikkens alsidighed producerede de adskillige enheder, inklusive optisk lagring, kryptering, sensing og fuldfarveskærme. Værket er nu udgivet på Videnskabens fremskridt .

De unikke anisotrope optoelektroniske egenskaber ved halvledende nanotråde stammer fra kvante- og dielektriske effekter til bred vifte af applikationer inden for elektronik og fotonik. Nye veje kan åbnes for at samle optoelektroniske enheder ved præcist at mønstre 1-D nanomaterialer til plane og 3-D strukturer. Sammenlignet med mange typer halvledende ledninger rapporteret indtil videre, cæsium blyhalogenid nanotråde (CsPbX ₃ ) med en perovskitkrystalstruktur har tilbudt adskillige fordele til optoelektroniske applikationer. Blyhalogenid perovskit nanokrystallerne er ultra-lyse og udviser næsten enheds kvanteudbytte uden en indkapslende skal - i modsætning til konventionelle, kolloide halvledende nanokrystaller med en kerne-skal struktur.

Materialeforskere kan modificere halogenidsammensætningen og båndgabet af perovskitter for at danne lyse og justerbare emissioner over hele det synlige spektralområde. Som et resultat af de unikke materialeegenskaber og høje kvanteudbytter, perovskit nanotråde har potentielle anvendelser inden for optoelektronik, som aktive lag i baggrundsbelysning med flydende krystaller (LCD), spektrumopdeling, polariserede fotodetektorer og optisk pumpede lasere. Forskere har udforsket adskillige plane og 3-D mønstermetoder, inklusive ekstruderingsbaseret 3-D-print via direkte blækskrivning (DIW) for at danne formformende arkitekturer sammensat af cellulosefibriller og justeret i en hydrogelmatrix. Imidlertid, generelle anvendelser af DIW til mønsterfunktionelle arkitekturer i fotoniske enheder mangler stadig at blive udforsket.

I nærværende arbejde, Zhou et al. designet, trykte og karakteriserede polariserede optiske arkitekturer sammensat af perovskit nanotrådfyldte blokcopolymermatricer. For det, de udviklede en nanokompositblæk med perovskit nanotrådbundterne indlejret i en cylindrisk, mikrofase polystyren-polyisopren-polystyren (SIS) blok copolymer matrix. Ved at bruge den foreslåede metode, Zhou et al. forventer andre anisotrope materialer, herunder metaller, halvledere og blokcopolymerer, og dielektriske nanotråde til at være tilsvarende programmerbart mønstrede.

Forskerne dannede forskellige trykfarver sammensat af nanotråde ved at variere SIS-koncentrationen for at udvikle forskydningsfortyndende adfærd og viskoelastisk respons, der kræves til DIW (direkte blækskrivning). Ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi (TEM) og småvinklet røntgenspredning (SAXS) målinger, de afslørede de ordnede hexagonale mikrodomæner af SIS-blokcopolymerfilamenterne og afslørede den trykte SIS-CsPbBr ₃ nanokompositter til at være meget justeret langs printretningen. Denne mønstermetode tillod programmerbar nanotrådsorientering i de trykte optiske kompositter for at påvirke deres polariserede og vinkeludsendende emission.

Under direkte blækskrivning, Zhou et al. genererede printstier ved hjælp af G-kode genereret via MatLab, Slic3r og CIMCO og brugte glasdyser til at danne nanokompositarkitekturer på glasdækglas. At demonstrere anvendelser af digitalt programmeret polarisationsanisotropi i 3-D printede nanokompositter; Zhou et al. konstruerede først et 3-bit gråtonebillede af kvadratiske pixels (200 x 200 µm). Ved at bruge teknikken, forskerne opnåede avancerede mønstrede arkitekturer til at tjene som optiske hukommelser til at skrive én gang læst mange gange (WORM) gange enheder med datalagring.

De printede arkitekturer kan bruges til sikkerhedskryptering i krypterbare hukommelser ved at udskrive flerlagsarkitekturer med forskellig optisk information gemt i hvert lag. Som et bevis på princippet, Zhou et al. mønstrede bogstaverne "LIGHT" i en fem-lags enhed, hvor de så hvert bogstav i forskellige højder. De udskrev bogstaverne "H" og "I" i tilfældige retninger og så selektivt hvert bogstav i den gennemsigtige matrix ved at bruge en polarisator kl. den passende vinkel. Derudover forskerne viste muligheden for at kryptere et emissionsmønster - f.eks. bogstavet H—ved at strække materialet. De forestiller sig potentialet til at skabe dynamisk camouflage i hudlignende materialearrangementer, hvor forskellige optiske mønstre opstår og forsvinder ved mekanisk strækning.

Derefter, de udvidede konceptet til at efterligne RGB (rød, grøn, blå) kvanteprikker, der er meget brugt til farveblanding. For det, Zhou et al. brugte anionbytningsreaktioner til at opnå halogenidperovskitter sammensat af rødemitterende og blåemitterende nanotråde og skabt afstembare, multipleksede farveskærme ved hjælp af multi-materiale 3-D print. Selvom perovskit nanotråde endnu ikke er optimalt egnede som materialer til displayapplikationer, arbejdet fremhævede evnen til at udøve programmerbar kontrol på nanotrådens sammensætning og justering, der tilbydes via digital samling. Zhou et al. præsenterede de afstembare spektrale responser af det multipleksede RGB-array og dets tilsvarende farveområde i CIE (kommission for belysning) kromaticitetsdiagrammet for at vise det bemærkelsesværdigt enkle design, som de printede skærme tilbyder for at opnå farvejustering.

Unlike LCDs that rely on conventional quantum dot color filters, the printed films in the present work used direct polarization photon downshifters, also known as "active" color filters. Zhou et al. intend to improve both nanowire synthesis and printing to achieve higher efficiencies for display applications.

På denne måde Nanjia Zhou and co-workers showed that direct writing nanocomposite inks composed of perovskite nanowire-filled block copolymer matrices could pattern optoelectronic devices in numerous designs. They programmed the nanowire composition and alignment to create optical nanocomposites for applications in information storage, encryption, mechano-optical sensing and optical displays. The new findings will provide a pathway to rapidly design and manufacture functional devices from anisotropic building blocks encapsulated in soft polymer matrices.

© 2019 Science X Network