一不留神，手機(jī)從掌心掉落，撞擊的聲音聲聲入耳，外觀不僅受損，設(shè)備的使用壽命更可能受到影響，但假裝鎮(zhèn)定的我們還是如無其事地?fù)炱鹗謾C(jī)，嘆一句 " 反正沒爆屏，就沒事 "。當(dāng)發(fā)生這樣的情況時(shí)，你是否產(chǎn)生過這樣的想法：如果有一個(gè)摔不碎的屏幕就好了。
近日，一項(xiàng)發(fā)表于《science》雜志的研究進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了這個(gè)想法。澳大利亞昆士蘭大學(xué)領(lǐng)銜的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，以華人科學(xué)家王連洲教授為首開發(fā)出一種全新的復(fù)合材料，該材料有望生產(chǎn)出兼具穩(wěn)定性與優(yōu)越光電性能的下一代電子屏幕。
近日，一項(xiàng)發(fā)表于《science》雜志的研究進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了這個(gè)想法。澳大利亞昆士蘭大學(xué)領(lǐng)銜的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，以華人科學(xué)家王連洲教授為首開發(fā)出一種全新的復(fù)合材料，該材料有望生產(chǎn)出兼具穩(wěn)定性與優(yōu)越光電性能的下一代電子屏幕。
文章發(fā)表在《science》上
01
全新技術(shù)：量子點(diǎn)發(fā)光二極管
縱觀半導(dǎo)體顯示行業(yè)的發(fā)展，從常用的液晶顯示屏（LCD）到有機(jī)發(fā)光顯示屏（OLED），用于生產(chǎn)電子屏幕的材料在不斷的更新?lián)Q代。
當(dāng)前，一類名為量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）的全新顯示技術(shù)受到了研究人員和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注與青睞，這種屏幕擁有目前頂級(jí)的圖像呈現(xiàn)效果及性能。
量子點(diǎn)從實(shí)質(zhì)上來講是一種特殊的半導(dǎo)體納米材料 , 它三個(gè)維度的尺寸都在 100nm 以下 , 外觀恰似一極小的點(diǎn)狀物 , 其內(nèi)部電子的能量在三個(gè)維度上都是量子化的。通過對(duì)這種納米半導(dǎo)體材料施加一定的電場(chǎng)或光壓，它們便會(huì)發(fā)出特定頻率的光。
不同大小的量子點(diǎn)在紫外線下發(fā)出不同顏色的光
02
巨大潛力材料的致命缺陷
由于光電性能優(yōu)異，近些年來鉛基鹵族鈣鈦礦納米晶被認(rèn)為是取代傳統(tǒng) OLED 電子屏幕、實(shí)現(xiàn)全彩顯示的最優(yōu)方案。
但目前，在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，這類具有巨大潛力的材料依舊存在著一個(gè)致命的缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差。具體表現(xiàn)為多態(tài)性、對(duì)極性溶劑的不穩(wěn)定性、相分離和對(duì)鉛離子浸出的敏感性。無論是氧氣、光照、熱處理還是極性溶劑，都很容易讓這種材料從光電性能良好的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。例如，在潮濕度較高的空氣中，鉛基鹵族鈣鈦礦納米晶的光電性能只能保持幾分鐘。
使用表面配體可能為其中一些問題提供解決方案，但同時(shí)也存在著問題——會(huì)引起一系列功能損失包括 LHP 表面配體的脫落、從而使相轉(zhuǎn)變，造成材料的降解。此外，這種材料在極性溶劑中穩(wěn)定性很差，并且其中的鉛容易泄漏、產(chǎn)生環(huán)境污染，造成安全隱患。
03
新復(fù)合材料保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定
為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)以一種全新的視角，開發(fā)了一種新的復(fù)合材料，通過液相煅燒方法和傳統(tǒng)球磨工藝將銫鉛碘鈣鈦礦納米晶包裹在多孔的金屬有機(jī)物骨架玻璃（MOF）中，形成高性能復(fù)合材料的工業(yè)粉末加工技術(shù)可以應(yīng)用于化學(xué)上制造穩(wěn)定的光致發(fā)光復(fù)合玻璃。
" 不同于傳統(tǒng)鈣鈦礦量子點(diǎn)的表面配體策略，我們主要通過 MOF 與鈣鈦礦材料表面形成的化學(xué)鍵以及尺寸效應(yīng)來提升表面活化能，從而使鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在。" 這項(xiàng)研究的通訊作者之一，任職于昆士蘭大學(xué)的王連洲教授表示。此外，MOF 可以防止空氣中的水蒸氣滲入，從而提升了這個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
04
光電性能與機(jī)械性能，二者兼得
研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了不同環(huán)境與操作環(huán)境中的復(fù)合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在維持了鈣鈦礦納米晶極高的發(fā)光效率的同時(shí)，新型材料還明顯改善了傳統(tǒng)鈣鈦礦量子點(diǎn)存在的穩(wěn)定性差的缺陷。這種可加工的復(fù)合材料對(duì)無論是在水和有機(jī)溶劑中浸泡，還是暴露在熱、光、空氣和環(huán)境濕度下，都表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。
材料光致發(fā)光強(qiáng)度的變化，以及發(fā)光效果示意圖
王連洲教授指出：多個(gè)因素共同作用保證了材料穩(wěn)定、優(yōu)良的光電性能。首先，研究使用的鈣鈦礦材料自身具備很強(qiáng)的缺陷忍耐度，因此晶體生長(zhǎng)過程中形成的缺陷對(duì)其發(fā)光性能影響較小；其次，玻璃充當(dāng) LHPs 的基質(zhì)，通過界面相互作用有效穩(wěn)定非平衡鈣鈦礦相，這些相互作用還鈍化了 LHP 表面缺陷，提升熒光量子產(chǎn)量；此外，鈣鈦礦與 MOF 復(fù)合材料的界面上所形成的化學(xué)鍵，也在一定程度上阻止了鈣鈦礦材料的相變、避免了在極性溶劑或濕度較高環(huán)境中的降解。
除了優(yōu)良的光電性能，這種材料的機(jī)械性能同樣優(yōu)良。王連洲教授介紹稱，新型復(fù)合玻璃在微觀尺度上表現(xiàn)出了傳統(tǒng)無機(jī)玻璃材料所不具有的機(jī)械性能：" 由于其內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)比例較高，該種玻璃材料可以實(shí)現(xiàn)微觀尺度的彈性，宏觀上就降低了在應(yīng)力下斷裂的傾向。" 這正是這種材料制作的玻璃不容易碎裂的秘密。
實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了材料的高強(qiáng)度：研究人員通過納米壓痕測(cè)試，結(jié)果表明復(fù)合了鈣鈦礦納米晶的玻璃材料在楊氏模量及硬度方面都有所提升，進(jìn)一步證實(shí)了復(fù)合材料界面優(yōu)秀的相容性，為未來繼續(xù)提高復(fù)合玻璃材料的機(jī)械性能提供了有力的理論支撐。
這項(xiàng)研究為我們展現(xiàn)了一種顯示屏領(lǐng)域的全新材料。伴隨著后續(xù)研究的推進(jìn)與深入，或許這種擁有巨大應(yīng)用潛力的材料會(huì)真正大規(guī)模量產(chǎn)、改變我們的生活。未來的某一天，我們使用的電視機(jī)、電腦，以及手機(jī)的屏幕，都將不再面臨摔碎的風(fēng)險(xiǎn)。
