欄目第二期為大家介紹的是來自華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董國平課題組的研究成果,其課題組在鈣鈦礦量子點(diǎn)的制備方法上進(jìn)行創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)可控生長,發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦量子點(diǎn)猝滅后通過熱處理發(fā)光得到恢復(fù)等一些特性,并拓展了其在顯示、信息防偽和可擦寫信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
背景介紹
讓我們先從材料本身開始了解:鈣鈦礦是一種新興發(fā)光材料,具有低成本、易制備、溶液處理方便、能帶在可見光范圍內(nèi)可精確控、超高量子產(chǎn)率等等優(yōu)點(diǎn),因此關(guān)于該材料的研究也成為了科研熱門研究方向之一。作為光吸收材料,鈣鈦礦可被應(yīng)用作太陽能電池和光電探測器,反過來,作為發(fā)光材料,鈣鈦礦可被應(yīng)用在發(fā)光二極管和激光上。但與之對(duì)應(yīng)的,鈣鈦礦因形成能較低等因素,穩(wěn)定性較差,空氣和潮濕的外在環(huán)境下,其中的鉛元素容易氧化使碘揮發(fā),且當(dāng)晶體遇濕時(shí)則易分解,一些物質(zhì)的分解變質(zhì)也會(huì)造成有毒物質(zhì)的釋放,減少器件本身的壽命,同時(shí)還對(duì)人造成危害。如何提高鈣鈦礦材料及其制得的器件的穩(wěn)定性是鈣鈦礦研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性問題。
董國平課題組利用飛秒激光輻照和熱處理實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦量子點(diǎn)在玻璃內(nèi)部任意位置的可控生長,并實(shí)現(xiàn)了飛秒激光和熱處理操控鈣鈦礦量子點(diǎn)的可逆形成與發(fā)光,拓展了量子點(diǎn)在三維顯示、信息防偽以及可擦重寫超高密度信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。該成果在《自然-光子學(xué)》(Nature Photonics)上以《超快激光三維操控透明玻璃材料內(nèi)部鈣鈦礦量子點(diǎn)的可逆生長》(“Reversible 3D laser printing of perovskite quantum dots inside a transparent medium”)為題發(fā)表,論文第一作者為華南理工大學(xué)博士研究生黃雄健,論文通訊作者為華南理工大學(xué)董國平教授,論文合作作者有中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)等單位的研究人員。
基本特性 量子點(diǎn)生長方法
半導(dǎo)體的三維圖案化對(duì)探索光電子學(xué)的新功能和新應(yīng)用具有潛在的重要意義?;诜蔷€性多光子效應(yīng),超快脈沖激光加工具備高精度、高效率、高度局域等優(yōu)勢,是透明材料三維加工的有效方法。
董國平課題組在研究內(nèi)容中報(bào)道了一種利用飛秒激光和熱處理在透明介質(zhì)中可逆操控鈣鈦礦量子點(diǎn)生長的方法。首先,研究人員制備了含有鈣鈦礦前驅(qū)體元素的透明玻璃,然后將飛秒激光聚焦于玻璃內(nèi)部,飛秒激光極高的峰值功率使激光焦點(diǎn)附近瞬間產(chǎn)生高溫,促使原子遷移形成晶核;再通過后續(xù)熱處理,激光輻照區(qū)域的晶核長大形成CsPbBr3量子點(diǎn),而非激光輻照區(qū)域保持不變。在紫外光照射下,激光輻照區(qū)域獲得強(qiáng)烈的綠光發(fā)射。得益于具有無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的透明玻璃介質(zhì)的保護(hù),鈣鈦礦量子點(diǎn)的抗?jié)窈涂篃崮芰Υ蟠筇岣摺?/p>
飛秒激光直寫鈣鈦礦量子點(diǎn)(原理示意圖)
性能特點(diǎn) 量子點(diǎn)可重構(gòu)特性
鈣鈦礦量子點(diǎn)的光穩(wěn)定性較差,強(qiáng)光輻照會(huì)使鈣鈦礦量子點(diǎn)分解。因此,當(dāng)再次用飛秒激光對(duì)玻璃中已形成的鈣鈦礦量子點(diǎn)進(jìn)行輻照時(shí),量子點(diǎn)的發(fā)光迅速猝滅。有趣的是,研究中發(fā)現(xiàn)如果將玻璃再次進(jìn)行熱處理,猝滅后的鈣鈦礦量子點(diǎn)的發(fā)光能夠恢復(fù)。
此過程可以多次重復(fù),并且多次循環(huán)后,鈣鈦礦量子點(diǎn)的發(fā)光依然能夠恢復(fù)到原有的90%以上(圖2)。其機(jī)理可歸因于鈣鈦礦本征的離子型晶體結(jié)構(gòu)和其較低的形成能,鈣鈦礦量子點(diǎn)容易受到破壞的同時(shí)也容易修復(fù)。
在飛秒激光輻照下,已形成的鈣鈦礦量子點(diǎn)部分溶解進(jìn)入玻璃基質(zhì)中,因此發(fā)光猝滅。而再次通過熱處理,玻璃中存在的量子點(diǎn)組成元素(Cs、Pb、Br)在熱場的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生遷移和結(jié)構(gòu)重構(gòu)形成量子點(diǎn),使得其發(fā)光得到恢復(fù)。
玻璃中鈣鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光的多次循環(huán)擦除與恢復(fù)
部分測試結(jié)果與應(yīng)用演示
在本模塊,小編選取了部分材料結(jié)構(gòu)和應(yīng)用演示的材料形貌像和原理示意圖。
鈣鈦礦量子點(diǎn)的2D/3D圖案在信息存儲(chǔ)、信息防偽以及三維顯示的應(yīng)用演示
應(yīng)用前景
最后我們對(duì)研究成果進(jìn)行一下回顧與總結(jié):課題組在鈣鈦礦量子點(diǎn)的研究和制備中發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦量子點(diǎn)的可逆發(fā)光性能,并利用飛秒激光與電控三維操作平臺(tái)的結(jié)合,在玻璃內(nèi)部將鈣鈦礦量子點(diǎn)進(jìn)行二維和三維的圖案化的應(yīng)用演示。此外,此方法通過飛秒激光參數(shù)與玻璃性能的調(diào)控,還可以實(shí)現(xiàn)其它鹵素鈣鈦礦量子點(diǎn)的可控析出和不同波長的可逆發(fā)光,并且能夠?qū)蝹€(gè)像素的寫入和擦除時(shí)間分別縮短至0.1s和0.01s、圖像分辨率提升至3μm。
從應(yīng)用角度來說,此項(xiàng)研究不僅加深了人們對(duì)鈣鈦礦材料穩(wěn)定性的提高和性能恢復(fù)的理解,還拓展了鈣鈦礦量子點(diǎn)在三維顯示、信息防偽和三維超高密度可重寫信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
原文標(biāo)題:科研前線 | 發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在鈣鈦礦量子點(diǎn)制備與特性研究上的新進(jìn)展
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