華南理工大學(xué)實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)可控生長

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)晶體遇濕時則易分解，一些物質(zhì)的分解變質(zhì)也會造成有毒物質(zhì)的釋放，減少器件本身的壽命，同時還對人造成危害。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)光輻照會使鈣鈦礦量子點(diǎn)分解。因此，當(dāng)再次用飛秒激光對玻璃中已形成的鈣鈦礦量子點(diǎn)進(jìn)行輻照時，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、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€像素的寫入和擦除時間分別縮短至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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