可編程鈣鈦礦納米線在復(fù)合材料中的應(yīng)用

具有高度各向異性光電子性質(zhì)的一維納米材料可用于能量采集、柔性電子和生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備。在材料科學(xué)和納米技術(shù)中，三維圖形方法可以用來(lái)精確地組裝納米線，使其具有局部控制的組成和方向，從而實(shí)現(xiàn)新的光電子器件設(shè)計(jì)。在一份新報(bào)告中，周南佳（音譯）和哈佛大學(xué)、威斯生物激發(fā)工程研究所、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和卡弗里能源納米科學(xué)研究所的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種3d打印納米復(fù)合墨水。

鈣鈦礦納米線-嵌段共聚物超分子納米復(fù)合材料，由發(fā)光的膠體銫鉛鈣鈦礦(CsPbX3，其中X= Cl、Br I)組成，將明亮的納米線懸浮在聚苯乙烯-聚苯乙烯-異戊二烯嵌段共聚物基體中，并使用程序打印路徑定義了納米線的對(duì)齊方式。這位科學(xué)家制造了具有高度偏振吸收和發(fā)射特性的光學(xué)納米復(fù)合材料。為了突出這項(xiàng)技術(shù)的通用性，生產(chǎn)了幾種設(shè)備，包括光學(xué)存儲(chǔ)、加密、傳感和全彩色顯示器，這項(xiàng)研究現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

半導(dǎo)體納米線獨(dú)特的各向異性光電子性質(zhì)是由量子效應(yīng)和介電效應(yīng)引起，在電子和光子學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過將一維納米材料精確地刻劃成平面和三維結(jié)構(gòu)，可以開辟組裝光電子器件的新途徑。與目前報(bào)道的許多類型半導(dǎo)體線相比，具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的銫鹵化鉛納米線(CsPbX3)在光電子應(yīng)用方面具有許多優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)具有核-殼結(jié)構(gòu)的膠體半導(dǎo)體納米晶相比，鹵化鉛鈣鈦礦納米晶具有超亮的特性，并且在沒有封裝殼的情況下表現(xiàn)出近乎統(tǒng)一的量子產(chǎn)量。

材料科學(xué)家可以修改鈣鈦礦的鹵化物成分和帶隙，在整個(gè)可見光譜范圍內(nèi)形成明亮、可調(diào)的發(fā)射。鈣鈦礦納米線具有獨(dú)特的材料性能和高量子產(chǎn)率，在液晶顯示(LCD)背光、光譜分裂、偏振光探測(cè)器和光泵浦激光器等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。研究人員已經(jīng)探索了幾種平面和三維圖形化方法，包括基于擠壓的3d打印通過直接墨水書寫(DIW)，形成由纖維素纖維組成形狀的結(jié)構(gòu)，并排列在水凝膠基質(zhì)。

然而，DIW在光子器件圖形功能結(jié)構(gòu)中的一般應(yīng)用仍有待探索，在本研究中設(shè)計(jì)、打印并表征了由鈣鈦礦納米線填充嵌段共聚物矩陣組成的偏振光學(xué)結(jié)構(gòu)。為此開發(fā)了一種納米復(fù)合墨水，其鈣鈦礦納米線束嵌入圓柱形微相聚苯乙烯-聚苯乙烯(SIS)嵌段共聚物基體中。使用該方法期望其他各向異性材料，包括金屬、半導(dǎo)體和嵌段共聚物，以及介電納米線也能以類似的編程方式形成圖案。

科學(xué)家們通過改變SIS濃度，形成了由納米線組成的不同油墨，以發(fā)展直接墨水書寫所需的剪切減薄行為和粘彈性響應(yīng)。通過透射電鏡(TEM)和小角x射線散射(SAXS)測(cè)量，揭示了SIS嵌段共聚物絲的有序六邊形微區(qū)，并揭示了打印的順式cspbbr3納米復(fù)合材料沿打印方向高度排列。這種模式方法允許可編程納米線方向在印刷光學(xué)復(fù)合材料，以影響偏振和角發(fā)射。在直接墨水書寫過程中，使用MatLab、Slic3r和CIMCO生成的g代碼生成打印路徑，并使用玻璃噴嘴在玻璃coverslips上形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。

展示了數(shù)字程序偏振各向異性在三維打印納米復(fù)合材料中的應(yīng)用，研究人員首先設(shè)計(jì)一個(gè)3-bit區(qū)域的灰度圖像的像素(200 x 200m)。利用這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的圖形結(jié)構(gòu)，作為光存儲(chǔ)器，用于寫入一次讀取多次(蠕蟲)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。該打印結(jié)構(gòu)可以通過打印多層結(jié)構(gòu)，將不同的光學(xué)信息存儲(chǔ)在每一層，從而實(shí)現(xiàn)加密存儲(chǔ)器的安全加密。為了證明原理，將字母“L-I-G-H-T”打造成一個(gè)五層的裝置，在這個(gè)裝置中，從不同的高度觀察每個(gè)字母。

以隨機(jī)的方向打印字母“H”和“I”，并在適當(dāng)?shù)慕嵌仁褂闷衿鬟x擇性地觀察透明矩陣中的每個(gè)字母。此外，科學(xué)家們還展示了通過拉伸材料來(lái)加密發(fā)射模式的可能性，例如字母h。設(shè)想了在類似皮膚材料排列中創(chuàng)造動(dòng)態(tài)偽裝的可能性，在這種材料排列中，不同光學(xué)圖案在機(jī)械拉伸中出現(xiàn)和消失。此后將這一概念擴(kuò)展到模擬廣泛用于混色的RGB(紅、綠、藍(lán))量子點(diǎn)。為此，研究人員利用陰離子交換反應(yīng)獲得了由紅色和藍(lán)色納米線組成的鹵化物鈣鈦礦。

并使用多材料3d打印創(chuàng)建了可調(diào)諧的多路彩色顯示器。雖然鈣鈦礦納米線還不是最適合作為顯示應(yīng)用的材料，但這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了通過數(shù)字組裝對(duì)納米線的組成和對(duì)齊進(jìn)行可編程控制的能力。在CIE (commission on lighting)色度圖中展示了多路復(fù)用RGB陣列的可調(diào)光譜響應(yīng)及其相應(yīng)的顏色范圍，展示了印刷顯示器為實(shí)現(xiàn)顏色可調(diào)而提供的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。與依賴于傳統(tǒng)量子點(diǎn)彩色濾光片的液晶顯示器不同，本研究中的印刷薄膜使用直接偏振光子降頻器，也稱為“有源”彩色濾光片。

研究人員打算改進(jìn)納米線的合成和打印，以實(shí)現(xiàn)更高的顯示應(yīng)用效率，通過這種方式，證明了由鈣鈦礦納米線填充嵌段共聚物基質(zhì)組成的直接書寫納米復(fù)合墨水，可以在許多設(shè)計(jì)中對(duì)光電器件進(jìn)行圖案設(shè)計(jì)。對(duì)納米線的組成和排列進(jìn)行了編程，從而為信息存儲(chǔ)、加密、機(jī)械光學(xué)傳感和光學(xué)顯示器等領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了光學(xué)納米復(fù)合材料。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)將為利用軟聚合物基質(zhì)包裹的各向異性構(gòu)件快速設(shè)計(jì)和制造功能器件提供一條途徑。