天津理工大学王铁教授团队《Sci. Adv.》：米级面板上可印刷的钙钛矿纳米立方块组装体

2022-11-17 admin3620

核心提示：#纳米组装1 个#印刷1 个#图案化3 个#钙钛矿34 个#原子有序1 个点击蓝字关注我们纳米粒子的性能及其组装体演生行

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纳米粒子的性能及其组装体演生行为的获得往往需要与之匹配的制造与加工方法的升级和创新。光学、电子、信息、化工、能源、生物、传感和医疗等领域的高性能元器件的发展离不开高质量纳米粒子的精准制造与加工方法的精确操控。然而，该技术发展的操控精度超出了目前纳米粒子加工极限和理论极限。所以，实现纳米粒子结构单元从纳米尺度到宏观尺度的多层级原子有序性的精准加工是上述技术发展存在的重大挑战。因此，开发新型纳米粒子加工方法和发展多尺度精准操控的新技术对于材料加工技术开发具有极其重要的科学意义和产业价值。

针对上述挑战和问题， 天津理工大学王铁教授领衔的科研团队 通过印刷的方式，以 CsPbBr ₃ 纳米立方块基本单元为模型，将自下而上的原子取向组装方法与自上而下光刻技术带来的空间位置精度优势相结合，发展了模板辅助的液滴裂分技术，解决了纳米粒子从原子到宏观尺度的加工难题。实现了包括纳米粒子、超晶格和宏观阵列在内的多尺度原子有序层级结构精准加工制造，并将尺度的操控跨越了 10 个数量级。该加工技术制备的宏观阵列内部的超晶格显示出一致的原子取向，因此命名为晶化超晶格阵列。

图 1. 纳米立方块及其超晶格的结构分析 . （来源： SCIENCE ADVANCES ）

（ 1 ）作者了发现了挥发诱导自组装形成超晶格的原子定向的特性，这种超晶格呈现简单四方堆积结构。通过实时和原位 GISAXS 确认了该组装过程分为四个阶段：无定形堆积（Ⅰ），立方堆积（Ⅱ），过渡相堆积（Ⅲ）和四方堆积（Ⅳ）。

图 2. 四方堆积超晶格形成的不同阶段 . （来源： SCIENCE ADVANCES ）

（ 2 ） CsPbBr ₃ 纳米粒子分散液可以通过点胶机在光刻图案化的基底上进行纳米粒子自组装为超晶格，针尖在 xy 平面上移动，重复吐出，将微米级阵列进一步拼接成米级面板。当基底上沟槽被溴离子功能化时，纳米立方块倾向于形成晶化超晶格阵列。沟槽的大小、形状和点胶机的注射压力不是影响超晶格阵列原子有序性的主要因素。

图 3. 超晶格 z 轴向上的晶化超晶格阵列 . （来源： SCIENCE ADVANCES ）

（ 3 ）相比于无序的纳米粒子聚集体，制备的晶化超晶格阵列显示出 5.2 倍的亮度增强。这种亮度增强可归因于单轴耦合超晶格阵列的定向介电 - 天线效应和定向跃迁偶极子诱导的光子重分布。这种加工技术可以使得多种类型图案化制备成为可能。作者进一步制备了基于三原色的微型背光面板，确认了色域空间可以达到 Rec. 2100 标准的 97.2% 的色彩饱和度或者达到 CIE 1976 标准的 100.4% 的色彩饱和度。这些结果可归因于由纳米粒子、超晶格和宏观阵列的层级变换中产生的原子取向的一致性。

图 4. 由晶化超晶格阵列构造的微型背光显示面板 . （来源： SCIENCE ADVANCES ）

该研究成果以 “Printable assemblies of perovskite nanocubes on meter-scale panel” 为题发表于国际著名期刊Science子刊 Science Advances （DOI: 10.1126/sciadv.add155 ）。该研究工作为多尺度有序体系的构筑与加工提供了新的思路，也为开发高效发光器件提供了新的物理模型。这种模板辅助的液体裂分技术可用于设计复杂的超完美组装系统，并由此获得的晶化超晶格阵列将有助于满足高亮度和多光子量子光源的需求，并为下一代发光器件的小型化、表面图案化、高偏振率、超高亮度和超宽色域的开发提供可能。本研究工作在王铁教授的专业指导下完成。本研究工作得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的大力支持。

作者简介

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王铁教授，博士生导师， 2013 年归国，现任天津理工大学校长助理、生命健康智能检测研究院院长。主要以纳米材料自组装结构为基础，长期致力于疾病体外分析检测的研究及应用，围绕疾病标志物检测的关键科学问题，开展了系统的原创性工作，并取得了一系列创新性成果和突出成绩。入选国家基金委杰出青年科学基金，国家“万人计划”科技创新领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，国家基金委优秀青年科学基金，国家海外高层次人才引进计划等。曾获 IAAM Medal 奖，中国分析测试协会科学技术奖一等奖等奖项。已在 Science, Science Advances , Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition 等国际权威刊物上发表高水平研究论文超 100 篇（总他引次数超 6000 ）。

李晓，博士，现任职于天津理工大学生命健康智能检测研究院。近年来致力于自下而上的介观物质构筑、调控与高效传感的研究，研究方向包括新型纳米材料的合成及其图案化在分析检测中的应用、功能纳米超结构的构建及其光电应用研究、仿生智能微纳界面制备与调控等。在 Science Advances 、 Advanced Materials 、 Nano Research 、 Science China Materials 等杂志发表高水平论文多篇，获得授权专利 2 项， SCI 期刊审稿人，并担任 SCI 期刊客座编辑等。

原文链接

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.add1559

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