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摔不裂的手机屏幕!华人科学家新成果有望引领革命

科技 1年前 (2021) 社科兔
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  ▎药明康德内容团队编辑

  一次无意的手滑,手机屏幕可能就会摔出裂痕,影响使用体验和设备的使用寿命……当你看着手机屏幕上的裂痕,有没有产生过这样的想法:如果有一种很难摔坏的屏幕材料,那该有多好!

  就在最近,一项发表于《科学》杂志的研究让我们离梦想更近一步。由澳大利亚昆士兰大学领衔的国际合作团队开发出一种全新的复合材料,该材料有望制造出更稳定、不容易断裂并且光电性能优越的下一代电子屏幕。

摔不裂的手机屏幕!华人科学家新成果有望引领革命

  从传统的液晶屏幕到有机发光显示屏(OLED),用于制造电子屏幕的材料在不断升级。现在,一类名为量子点发光二极管(QLED)的全新显示技术受到了研究人员和产业界的青睐,这种屏幕拥有目前顶级的图像呈现效果及性能。

  量子点通常指的是尺寸小于20纳米,且具有量子限域效应的半导体纳米晶体,它能在光照或电场激发下,释放出稳定、颜色可调的荧光,从而实现屏幕显示。由于光电性能优异,近些年来铅基卤族钙钛矿纳米晶被认为是取代传统OLED电子屏幕、实现全彩显示的潜在方案。

  但目前,这类具有巨大潜力的材料在实际应用场景中,依然存在一个致命缺陷:不稳定。无论是光照、热处理、氧气还是空气中的水蒸气,都很容易让这种材料从光电性能良好的钙钛矿结构转化为非钙钛矿结构。例如,在比较潮湿的空气中,铅基卤族钙钛矿纳米晶的性能只能维持数分钟。

摔不裂的手机屏幕!华人科学家新成果有望引领革命

  对此,一种解决方案是使用表面配体,使得材料在一定湿度范围的空气中保持稳定,但这也并非长久之计——表面配体容易脱落,导致相转变和材料降解。此外,这种材料在极性溶剂中也不稳定,并且其中的铅容易泄漏、产生环境污染和安全隐患。

  为了解决这个问题,研究团队采用了一种全新的策略:他们通过传统球磨工艺和液相煅烧方法,将铯铅碘钙钛矿纳米晶包裹在多孔的金属有机物骨架玻璃(MOF)中,形成稳定的光致发光复合玻璃。

  “不同于传统钙钛矿量子点的表面配体策略,我们主要通过MOF与钙钛矿材料表面形成的化学键以及尺寸效应来提升表面活化能,从而使钙钛矿结构稳定存在。“这项研究的通讯作者之一,任职于昆士兰大学的王连洲教授表示。此外,MOF可以防止空气中的水蒸气渗入,从而提升了这个复合结构的长期稳定性。

  研究团队接下来的检测发现,新型材料在保持了钙钛矿纳米晶极高的发光效率的同时,还明显改进了传统钙钛矿量子点存在的稳定性缺陷。无论是浸泡在水中或有机溶剂里,还是暴露在高温、光照和潮湿的环境中时,这种新型材料都能维持足够的稳定性。例如,该材料在水中浸泡1万小时之后,其光致发光的强度也只下降了不到20%。此外,铅能在这种材料中自我封存、避免泄漏,确保了材料的安全性。

摔不裂的手机屏幕!华人科学家新成果有望引领革命

  对于材料稳定、优良的光电性能,王连洲教授指出,多个因素共同发挥了作用:此次使用的钙钛矿材料具有很强的缺陷忍耐度,因此晶体生长过程中形成的缺陷对其发光性能影响较小;MOF表面的配体可以钝化钙钛矿表面的缺陷,起到提升荧光量子产率的作用;此外,钙钛矿与MOF复合材料的界面上所形成的化学键,也在一定程度上阻碍了钙钛矿材料的相变及在湿度较高或极性溶剂条件下的降解。

  除了优良的光电性能,这种材料的机械性能同样优良。王连洲教授介绍称,新型复合玻璃在微观尺度上表现出了传统无机玻璃材料不具有的机械性能:“由于其内部中空结构比例较高,该种玻璃材料可以实现微观尺度的弹性,宏观上就降低了在应力下断裂的倾向。“这正是这种材料制作的玻璃不容易碎裂的秘密。

  这一点也在测试中得到了初步证实:研究人员通过纳米压痕测试表明,复合了钙钛矿纳米晶的玻璃材料在杨氏模量及硬度方面都有所提升,进一步证实了复合材料界面优秀的相容性,为未来继续提高复合玻璃材料的机械性能提供了有力的理论支撑。

  这项研究为我们展示了一种有着光明前景的全新材料。随着后续研究的深入,这种拥有巨大应用潜力的材料或将真正进入市场、改变我们的生活。或许未来的某一天,你用到的电视机、电脑,以及耐摔的手机的屏幕,将离不开这种创新性的玻璃合成思路。

  这篇标题为Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses的论文发表于《科学》杂志,昆士兰大学的王连洲教授、侯经纬博士与英国利兹大学的Sean M。 Collins博士、剑桥大学助理教授Thomas D。 Bennett为共同通讯作者,王连洲团队的侯经纬博士和陈鹏博士分别为论文第一作者和第二作者。

  题图来源:123RF

  参考资料:

  [1] Jingwei Hou et al。 Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses。 Science (2021)。 DOI: 10.1126/science.abf4460

  [2] UQ research unlocks the technology to produce unbreakable screens。 Retrieved Oct 29, 2021 from https://www.uq.edu.au/news/article/2021/10/uq-research-unlocks-technology-produce-unbreakable-screens

版权声明:社科兔 发表于 2021年12月5日 pm4:28。
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