《Sci. Adv.》:基于钙钛矿量子线的发光二极管全彩纤维

文摘   2024-07-26 11:48   新加坡  
文章Full-color fiber light-emitting diodes based on perovskite quantum wires 

中文标题:基于钙钛矿量子线的发光二极管全彩纤维

第一作Beitao Ren
通讯作者Zhiyong Fan 
通讯单位中国香港科技大学电子及计算机工程系
稿:JeverXin


背景介绍
柔性光电器件,特别是发光二极管 (LED),在各种应用中发挥着重要作用,包括可穿戴显示器、健康监测系统、虚拟现实、光通信、汽车照明等。现在,各种类型的先进技术,如发射极涂层纤维、纳米结构材料以及基于聚合物和弹性体的基板,已经为高性能柔性 LED 开发出来。其中,纤维LED(Fi-LED)从类似纤维的柔性基板发光,由于其与纺织品制造的良好相容性以及出色的空间亮度均匀性,在可穿戴显示器中表现出明显的优势。金属卤化物钙钛矿 (MHP) 因其固有的奇妙光电特性,包括有效的辐射载流子复合、出色的色彩可调性和纯度,以及液相和气相中的简单合成和低温制造工艺,已成为下一代 LED 最有前途的发光材料之一。得益于钙钛矿 LED (PeLED) 器件界面工程和结构优化的成熟方法,PeLED 的外部量子效率 (EQE) 在十年内从不到 1% 提高到近 30%。同时,MHP也被成功整合到即将到来的技术中,如大规模、柔性和多功能LED,这表明它们在可穿戴显示器方面的巨大潜力。然而,基于MHP的Fi-LED在制造过程中一直没有得到充分的探索,例如重力和表面张力引起的不均匀涂层、低质量结晶、复杂的电极沉积工艺等,最终导致不均匀和低效的发光。

最近,来自中国香港科技大学电子及计算机工程系的Fan Zhiyong研究团队展示了基于 MHP 量子线 (PeQW) 的全彩 Fi-LED,具有良好的弯曲性、拉伸性和水分稳定性。与全无机 PeLED 相比,所获得的 Fi-LED 表现出优美的全彩织物电致发光 (EL),并且具有最佳结构的相应平面 PeLED 器件实现了 15.2% 的相对较高的 EQE。通过额外的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 封装,全彩 Fi-LED 器件展示了各种 EL 场景,凸显了 MHP Fi-LED 在柔性和可穿戴照明和显示器方面的巨大潜力。相关成果以“Full-color fiber light-emitting diodes based on perovskite quantum wires”为题发表在期刊《Science Advances》上。

研究进展

1:A 到 D)PAM模板(A)的PeQWs生长示意图,以及CsPbBr 3 QWs形成之前(B)和(C)后PAM在Al纤维上的相应顶视图SEM图像,以及从PAM模板中提取的单个CsPbBr 3 QW的HRTEM图像(D)。(E 到 J)荧光图片:五颜六色的缠结纤维(E)、编织纤维(F)、我爱香港科技大学图案(G)、绿色漩涡(H)、香港科技大学红鸟标志(I)和维多利亚港(J)通过安装成批的纤维而成。所有未标记的比例尺均为 1 厘米。

PeQWs生长的示意图如图1A所示。采用溶液浸涂法,采用纤维兼容的卷对卷系统。将MHP 前驱体 [CsPbX3(X = Cl、Br、I 或混合卤化物)] 溶液填充到 PAM 通道中,该通道在薄(直径为 0.1、0.3 或 0.5 mm)的铝纤维上制造,采用 5 V 阳极阳极氧化工艺制造。随后使用加热线圈进行周围退火程序,以实现空间均匀的溶剂汽化和 MHP 结晶。得益于薄铝纤维的柔韧性,制造的纤维可以很容易地缠结(图1E)和编织(图1F),揭示了纺织照明应用的潜力(图1A)。同时,薄铝纤维兼具延展性和可塑性,可以塑造成多样化的2D和3D架构。在这里,我们展示了一个二维全彩的绳子“我爱香港科技大学”(图1G)、一个三维绿色漩涡(图1H)和香港科技大学的红鸟图案(图1I),具有出色的荧光均匀性。在图1J中,我们将各种PeQWs组合在一起,以香港的标志性建筑为主题,构建了维多利亚港的“夜景”。

2:A 三种代表性R/G/B PeQWs的吸收和PL谱图。插图是荧光图像。(B)不同卤化物组成的PeQWsPLQYPL峰位。(C PeQWs5 ps相同延迟时间下的TA谱图。(D)归一化PL强度随单根纤维长度位置的变化。插图显示了相应绿色纤维的荧光照片。(E)在环境空气(23°C~45%55%相对湿度)下的PL稳定性测试。

PeQWs在PAM@Al纤维上高度均匀的生长,此外,得益于 PAM 模板对水分和氧刺激的 3D 保护,生长的 PeQW 在环境条件下表现出非凡的 PL 寿命。除了铝箔外, PeQW 还可以很容易地在其他类型的基材上生长,例如广泛使用的氟掺杂氧化锡 (FTO) 涂层玻璃和柔性不锈钢箔。在阳极氧化工艺之前,需要通过溅射或冷喷涂方法在基板上涂覆一层薄薄的Al。此特性使 PeQW 在工业中具有良好的兼容性,在实际应用中具有很高的潜力。

3:A B-R-G-Fi-LED灯,采用I Love HKUST模式。(B C)在(B)拉伸之前和(C)拉伸下具有起伏形状的可拉伸装置。(DE)弯曲半径分别为 3 mm D 2 mm E 的可弯曲装置。(F 两个 180° 扭曲的 Fi-LED 器件的 EL 图像。(G H)水中封装装置的数码照片 G EL 图像 H)。(IJ)封装 Fi-LED 的柔韧性评估:弯曲性 I 和拉伸性 J 表征。插图显示了 Fi-LED 在弯曲和拉伸下的照片。(K)封装装置在连续水浸泡下的老化试验。所有未标记的比例尺均为 1 厘米。

如图3A所示,研究人员雕刻了三根Al纤维,建立了I Love HKUST模型,然后分别制造了基于B、R和G-PeQW的Fi-LED。如图 3D 所示, Fi-LED 在弯曲半径为 3 mm 的情况下保持良好的 EL。此外,波浪形结构装置由于其更好的张力缓解,甚至可以弯曲半径为 2 mm(图 3E)。为了进一步评估采用PDMS封装的Fi-LED的鲁棒性,监测了EL在各种恶劣条件下的退化,包括弯曲、拉伸和浸水。图3K显示了封装器件在水浸泡下的老化测试结果。得益于PDMS的完美封装,Fi-LED的EL强度即使在连续浸泡超过1000小时后也没有变化。

总结和展望

本研究使用纤维形状的PAM模板在具有1D、2D和3D架构的Al纤维上均匀生长PeQW。由于铝纤维的延展性和可塑性,结合PDMS的封装和保护,基于PeQW的Fi-LED已被集成到织物上,并具有可弯曲、可拉伸、可扭曲和防水的特性,这对于可穿戴应用至关重要。

原文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn1095



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