南方科技大學&吉林大學Adv. Funct. Mater.: 噴墨打印實現準二維鈣鈦礦-聚合物片的高效穩定發光

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦因其優異的光電性能以及簡單廉價的制備工藝在近幾年里掀起了新的研究熱潮，并已在太陽能電池、發光二極管、激光器和光催化等領域得到廣泛研究與應用。然而鈣鈦礦材料對水氧、紫外線極為敏感，其較差的穩定性一直是制約商業化應用的主要障礙。準二維鈣鈦礦R₂(ABX₃)_n-1BX₄是采用大尺寸陽離子R部分取代小尺寸陽離子A，類似于將二維相與三維相摻雜，同時材料中存在天然形成的量子阱結構，在光電應用領域展現了巨大的潛力。
光電器件的制造依賴于能夠實現有效的圖案化工藝，如掩模光刻、納米壓印和噴墨打印。噴墨打印是基于噴嘴中噴出的小體積液滴在基底上并且實現精確定位的技術，可以實現圖案的無接觸加工和直接刻寫，不需掩模板、基底材料也十分靈活，適合鈣鈦礦基等光電顯示器件的加工。

【成果簡介】

近日，南方科技大學孫小衛教授，王愷副教授和吉林大學李光玉教授（共同通訊作者）及其團隊采用噴墨打印技術在三種商用聚合物PVC、PC和PMMA上獲得了圖案化的準二維鈣鈦礦-聚合物復合片材，并展現了穩定高效的發光性能。準二維鈣鈦礦-聚合物片的PLQY超過65%，FWHM為22 nm，在水中和空氣中分別暴露20天、50天，PL強度仍然保持初始值的80%；在強紫外線照射240小時后，PL仍然保持50%的強度。相關成果以題為“Highly Luminescent and Stable Green Quasi-2D Perovskite-Embedded Polymer Sheets by Inkjet Printing”發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一 噴墨打印制備準二維鈣鈦礦片

(a) 噴墨打印制備準二維鈣鈦礦復合片示意圖；
(b-d) 不同的聚合物（PVC、PC和PMMA）薄片上印刷的圖案照片。

圖二 準二維鈣鈦礦片的光譜表征

(a-b) PEA-PVC/PC/PMMA的PL光譜和紫外可見吸收光譜；
(c) 紫外燈下PEA-PVC的圖像；
(d) MA-PVC和PEA-PVC的PL光譜和紫外可見吸收光譜；
(e) PVC、MA-PVC和PEA-PVC的透射光譜；
(f) MA-PVC和PEA-PVC的TRPL光譜；
(g) PEA-PVC的TA光譜；
(h) PB₂和PB₃波長位置歸一化的時間分辨TA光譜。

圖三 鈣鈦礦-聚合物片在不同條件下的穩定性測試

(a) 在25 mW/cm²藍光照射325 h下MA-PVC和PEA-PVC的PL強度和FWHM變化；
(b) 在空氣中放置50天MA-PVC和PEA-PVC的PL強度變化；
(c) 在水中放置50天MA-PVC和PEA-PVC的PL強度變化；
(d) 在不同溶液中的PEA-PVC樣品。

圖四 鈣鈦礦-聚合物片的大面積圖案應用
(a) 紫外線照射下有圖案的鈣鈦礦-聚合物復合片圖像；
(b) (a)中紅色區域的微觀熒光圖像，其中黑色箭頭表示噴嘴的移動方向；
(c) (b)中藍色掃描區域的深度剖面圖。

【小結】

在該研究中，作者采用噴墨打印技術在商用聚合物中嵌入準二維鈣鈦礦，由于其天然的量子阱結構，PLQY較MA-聚合物樣品明顯改善，超過65%。此外，PEA-PVC樣品相較于其他聚合物樣品展現了更為優異的光學性能，印刷圖案顯示出更好的均勻性。由于準二維鈣鈦礦本身較好的穩定性以及PVC優異的隔離性，PEA- PVC樣品對水、空氣、光照和各類溶液具有良好的耐受性。該研究證實了噴墨打印制備高亮度和穩定的鈣鈦礦-聚合物復合材料的有效性和可行性，這種穩定高效的鈣鈦礦復合圖形化方法為大面積熒光廣告牌等其他顯示領域的應用提出了一種新的策略。

文獻鏈接：Highly Luminescent and Stable Green Quasi-2D Perovskite-Embedded Polymer Sheets by Inkjet Printing (Adv. Funct. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adfm.201910817）

【團隊介紹】

南方科技大學電子與電氣工程系孫小衛教授和王愷副教授課題組長期從事GaN LED、量子點LED和鈣鈦礦LED的材料、器件與封裝技術研究，在高效光子產生與提取、準確能帶與光場調控、高穩定性發光方面取得一系列研究成果，在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Optical Materials、Advanced Science、ACS Nano、ACS Energy Letters、Nano Energy等國際學術期刊發表與LED材料與器件相關論文200余篇，獲得國家重點研發計劃、廣東省重點領域研發計劃等項目支持。

除了本報道中的研究工作之外，2020年近期相關優質文獻推薦：

1. 無機電子傳輸層上異質原位生長高質量全無機金屬鹵化物鈣鈦礦單晶

X. Tang, W. Chen, D. Wu*, A. Gao, G. Li, J. Sun, K. Yi, Z. Wang, G. Pang, H. Yang, R. Guo, H. Liu, H. Zhong, M. Huang, R. Chen, P. Müller-Buschbaum, X. W. Sun, and K. Wang*, "In Situ Growth of All-Inorganic Perovskite Single Crystal Arrays on Electron Transport Layer," Advanced Science, 2020, doi: 10.1002/advs.201902767.

2.簡便有效的原位制備 Cs₄PbBr₆/CsPbBr₃鈣鈦礦納米晶體嵌入聚合物復合薄膜的方法

X. Li, Z. Wen, S. Ding, F. Fang, B. Xu, J. Sun, C. Liu, K. Wang,* and X. W. Sun*，“Facile In Situ Fabrication of Cs4PbBr6/CsPbBr3 Nanocomposite Containing Polymer Films for Ultrawide Color Gamut Displays”, Advanced Optical Materials, doi10.1002/adom.202000232.

3.噴墨打印無咖啡環CsPbBr₃量子點陣列

A. Gao, J. Yan, Z. Wang, P. Liu, D. Wu, X. Tang, F. Fang, S. Ding, X. Li, J. Sun, M. Cao, L. Wang, L. Li*, K. Wang*, and X. W. Sun*, "Printable CsPbBr3 Perovskite Quantum Dot Ink for Coffee Ring-Free Fluorescent Microarrays Using Inkjet Printing," Nanoscale, vol. 12, no. 4, pp. 2569-2577, 2020.

4. 應邀在ACS Energy Letters發表關于InP量子點及其LED器件的綜述

Z. Wu, P.Liu, W. Zhang, K. Wang, and X. W. Sun*, "Development of InP Quantum Dot-Based Light-Emitting Diodes", ACS Energy Letters, vol. 5, pp. 1095?1106, 2020.

5. 近紅外-可見全量子點上轉換發光器件

H. Tang, K. Shi, N. Zhang, Z. Wen, X. Xiao, B. Xu, H. Butt, Z. Pikramenou, K. Wang*, and X. W. Sun*, "Up-Conversion Device Based on Quantum Dots With High-Conversion Efficiency Over 6%," IEEE Access, vol. 8, pp. 71041-71049, 2020.

6. 用原子層沉積法對量子點熒光微球進行封裝

Fan Fang, Mengjia Liu, Wei Chen, Hongcheng Yang, Yizun Liu, Xiang Li, Junjie Hao, Bing Xu, Dan Wu, Kun Cao, Wei Lei, Peter Müller‐Buschbaum, Xiao Wei Sun, Rong Chen, Kai Wang, “Atomic Layer Deposition Assisted Encapsulation of Quantum Dot Luminescent Microspheres toward Display Applications”, Advanced Optical Materials, 1902118, (2020). https://doi.org/10.1002/adom.201902118

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