Endimensionella nanomaterial med mycket anisotropa optoelektroniska egenskaper kan användas inom energiskördstillämpningar, flexibel elektronik och biomedicinsk avbildningsutrustning. Inom materialvetenskap och nanoteknik, 3-D mönstringsmetoder kan användas för att exakt sätta ihop nanotrådar med lokalt kontrollerad sammansättning och orientering för att möjliggöra nya optoelektroniska enhetsdesigner. I en färsk rapport, Nanjia Zhou och ett tvärvetenskapligt forskarteam vid Harvard University, Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering, Lawrence Berkeley National Laboratory och Kavli Energy Nanoscience Institute utvecklade och 3-D-tryckta nanokompositbläck som består av ljusemitterande kolloidal cesium blyhalogenidperovskit (CsPbX) ₃ , där X =Cl, Br, eller I) nanotrådar.

De suspenderade de ljusa nanotrådarna i en polystyren-polyisopren-polystyren-blocksampolymermatris och definierade nanotrådsjusteringen med hjälp av en programmerad utskriftsbana. Forskaren producerade optiska nanokompositer som uppvisade högpolariserade absorptions- och emissionsegenskaper. För att markera mångsidigheten i tekniken producerade de flera enheter, inklusive optisk lagring, kryptering, avkännings- och fullfärgsskärmar. Verket är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

De unika anisotropiska optoelektroniska egenskaperna hos halvledande nanotrådar härrör från kvant- och dielektriska effekter för breda tillämpningar inom elektronik och fotonik. Nya vägar kan öppnas för att montera optoelektroniska enheter genom att exakt mönstra 1-D nanomaterial till plana och 3-D strukturer. Jämfört med många typer av halvledande ledningar som hittills rapporterats, cesium blyhalogenid nanotrådar (CsPbX ₃ ) med en perovskitkristallstruktur har erbjudit flera fördelar för optoelektroniska tillämpningar. Blyhalogenid perovskit nanokristallerna är ultraljusa och uppvisar nästan enhetligt kvantutbyte utan ett inkapslande skal - i motsats till konventionella, kolloidala halvledande nanokristaller med en kärna-skalstruktur.

Materialforskare kan modifiera halogenidsammansättningen och bandgapet hos perovskiter för att bilda ljusa och inställbara utsläpp över hela det synliga spektralområdet. Som ett resultat av de unika materialegenskaperna och höga kvantutbytena, perovskit nanotrådar har potentiella tillämpningar inom optoelektronik, som aktiva lager i bakgrundsbelysning med flytande kristaller (LCD), spektrumuppdelning, polariserade fotodetektorer och optiskt pumpade lasrar. Forskare har utforskat flera plana och 3-D mönstringsmetoder, inklusive extruderingsbaserad 3-D-utskrift via direkt bläckskrivning (DIW) för att forma formformande arkitekturer sammansatta av cellulosafibriller och inriktade i en hydrogelmatris. Dock, allmänna tillämpningar av DIW för mönsterfunktionella arkitekturer i fotoniska enheter återstår fortfarande att utforska.

I detta arbete, Zhou et al. designad, tryckta och karakteriserade polariserade optiska arkitekturer sammansatta av perovskit nanotrådfyllda blocksampolymermatriser. För detta, de utvecklade ett nanokompositbläck med perovskit nanotrådsbuntarna inbäddade i en cylindrisk, mikrofas polystyren-polyisopren-polystyren (SIS) blocksampolymermatris. Med hjälp av den föreslagna metoden, Zhou et al. förvänta dig andra anisotropa material inklusive metaller, halvledare och blocksampolymerer, och dielektriska nanotrådar som ska vara på liknande sätt programmerbart mönstrade.

Forskarna bildade olika bläck sammansatta av nanotrådar genom att variera SIS-koncentrationen för att utveckla skjuvförtunnande beteende och viskoelastisk respons som krävs för DIW (direkt bläckskrivning). Genom att använda transmissionselektronmikroskopi (TEM) och mätningar med små vinklar röntgenspridning (SAXS), de avslöjade de ordnade hexagonala mikrodomänerna i SIS-blocksampolymerfilamenten och avslöjade den tryckta SIS-CsPbBr ₃ nanokompositer för att vara mycket justerade längs utskriftsriktningen. Denna mönstringsmetod möjliggjorde programmerbar nanotrådsorientering i de tryckta optiska kompositerna för att påverka deras polariserade och vinkelformade emission.

Under direkt bläckskrivning, Zhou et al. genererade utskriftsvägar med G-kod genererad via MatLab, Slic3r och CIMCO och använde glasmunstycken för att bilda nanokompositarkitekturer på täckglas. Att demonstrera tillämpningar av digitalt programmerad polarisationsanisotropi i 3-D-tryckta nanokompositer; Zhou et al. konstruerade först en 3-bitars gråskalebild av kvadratiska pixlar (200 x 200 µm). Med hjälp av tekniken, forskarna uppnådde avancerade mönstrade arkitekturer för att fungera som optiska minnen för att skriva en gång läst många gånger (WORM) gånger enheter för datalagring.

De utskrivna arkitekturerna kan användas för säkerhetskryptering i krypteringsbara minnen genom att skriva ut flerskiktsarkitekturer med olika optisk information lagrad i varje lager. Som ett bevis på principen, Zhou et al. mönstrade bokstäverna "LIGHT" i en femlagersenhet där de såg varje bokstav på olika höjder. De skrev ut bokstäverna "H" och "I" i slumpmässiga riktningar och såg selektivt varje bokstav i den transparenta matrisen med hjälp av en polarisator vid lämplig vinkel. Dessutom, forskarna visade möjligheten att kryptera ett emissionsmönster - till exempel, bokstaven H—genom att sträcka materialet. De föreställer sig potentialen att skapa dynamiskt kamouflage i hudliknande materialarrangemang där olika optiska mönster uppstår och försvinner vid mekanisk sträckning.

Därefter, de utökade konceptet för att efterlikna RGB (röd, grön, blå) kvantprickar som används i stor utsträckning vid färgblandning. För detta, Zhou et al. använde anjonbytesreaktioner för att erhålla halogenidperovskiter som består av röda och blåemitterande nanotrådar och skapade avstämbara, multiplexade färgskärmar med 3D-utskrift i flera material. Även om perovskite nanotrådar ännu inte är optimalt lämpade som material för displayapplikationer, arbetet lyfte fram möjligheten att utöva programmerbar kontroll på nanotrådens sammansättning och anpassning som erbjuds via digital montering. Zhou et al. presenterade de avstämbara spektrala svaren för den multiplexerade RGB-matrisen och dess motsvarande färgområde i CIE (kommission för belysning) kromaticitetsdiagram för att visa den anmärkningsvärt enkla designen som erbjuds av de tryckta displayerna för att uppnå färgavstämning.

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 det här sättet, 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, kryptering, 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