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天津理工大學(xué)王鐵教授團(tuán)隊(duì) 《Sci. Adv.》：米級(jí)面板上可印刷的鈣鈦礦納米立方塊組裝體

時(shí)間：2022-11-17 來(lái)源： 瀏覽：

天津理工大學(xué)王鐵教授團(tuán)隊(duì) 《Sci. Adv.》：米級(jí)面板上可印刷的鈣鈦礦納米立方塊組裝體

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聚集海內(nèi)外化學(xué)化工、材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域最新科學(xué)前沿動(dòng)態(tài)，與相關(guān)機(jī)構(gòu)共同合作，發(fā)布實(shí)用科研成果，結(jié)合政策、資本、商業(yè)模式、市場(chǎng)和需求、價(jià)值評(píng)估等諸要素，構(gòu)建其科技產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，服務(wù)國(guó)家管理機(jī)構(gòu)、科研工作者、企業(yè)決策層。

收錄于合集
#納米組裝 1 個(gè)
#印刷 1 個(gè)
#圖案化 3 個(gè)
#鈣鈦礦 34 個(gè)
#原子有序 1 個(gè)

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納米粒子的性能及其組裝體演生行為的獲得往往需要與之匹配的制造與加工方法的升級(jí)和創(chuàng)新。光學(xué)、電子、信息、化工、能源、生物、傳感和醫(yī)療等領(lǐng)域的高性能元器件的發(fā)展離不開(kāi)高質(zhì)量納米粒子的精準(zhǔn)制造與加工方法的精確操控。然而，該技術(shù)發(fā)展的操控精度超出了目前納米粒子加工極限和理論極限。所以，實(shí)現(xiàn)納米粒子結(jié)構(gòu)單元從納米尺度到宏觀尺度的多層級(jí)原子有序性的精準(zhǔn)加工是上述技術(shù)發(fā)展存在的重大挑戰(zhàn)。因此，開(kāi)發(fā)新型納米粒子加工方法和發(fā)展多尺度精準(zhǔn)操控的新技術(shù)對(duì)于材料加工技術(shù)開(kāi)發(fā)具有極其重要的科學(xué)意義和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)和問(wèn)題， 天津理工大學(xué)王鐵教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì) 通過(guò)印刷的方式，以 CsPbBr 3 納米立方塊基本單元為模型，將自下而上的原子取向組裝方法與自上而下光刻技術(shù)帶來(lái)的空間位置精度優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，發(fā)展了模板輔助的液滴裂分技術(shù)，解決了納米粒子從原子到宏觀尺度的加工難題。實(shí)現(xiàn)了包括納米粒子、超晶格和宏觀陣列在內(nèi)的多尺度原子有序?qū)蛹?jí)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)加工制造，并將尺度的操控跨越了 10 個(gè)數(shù)量級(jí)。該加工技術(shù)制備的宏觀陣列內(nèi)部的超晶格顯示出一致的原子取向，因此命名為晶化超晶格陣列。
圖 1. 納米立方塊及其超晶格的結(jié)構(gòu)分析 . （來(lái)源： SCIENCE ADVANCES ）
（ 1 ）作者了發(fā)現(xiàn)了揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝形成超晶格的原子定向的特性，這種超晶格呈現(xiàn)簡(jiǎn)單四方堆積結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)時(shí)和原位 GISAXS 確認(rèn)了該組裝過(guò)程分為四個(gè)階段：無(wú)定形堆積（Ⅰ），立方堆積（Ⅱ），過(guò)渡相堆積（Ⅲ）和四方堆積（Ⅳ）。
圖 2. 四方堆積超晶格形成的不同階段 . （來(lái)源： SCIENCE ADVANCES ）
（ 2 ） CsPbBr 3 納米粒子分散液可以通過(guò)點(diǎn)膠機(jī)在光刻圖案化的基底上進(jìn)行納米粒子自組裝為超晶格，針尖在 xy 平面上移動(dòng)，重復(fù)吐出，將微米級(jí)陣列進(jìn)一步拼接成米級(jí)面板。當(dāng)基底上溝槽被溴離子功能化時(shí)，納米立方塊傾向于形成晶化超晶格陣列。溝槽的大小、形狀和點(diǎn)膠機(jī)的注射壓力不是影響超晶格陣列原子有序性的主要因素。
圖 3. 超晶格 z 軸向上的晶化超晶格陣列 . （來(lái)源： SCIENCE ADVANCES ）
（ 3 ）相比于無(wú)序的納米粒子聚集體，制備的晶化超晶格陣列顯示出 5.2 倍的亮度增強(qiáng)。這種亮度增強(qiáng)可歸因于單軸耦合超晶格陣列的定向介電 - 天線效應(yīng)和定向躍遷偶極子誘導(dǎo)的光子重分布。這種加工技術(shù)可以使得多種類型圖案化制備成為可能。作者進(jìn)一步制備了基于三原色的微型背光面板，確認(rèn)了色域空間可以達(dá)到 Rec. 2100 標(biāo)準(zhǔn)的 97.2% 的色彩飽和度或者達(dá)到 CIE 1976 標(biāo)準(zhǔn)的 100.4% 的色彩飽和度。這些結(jié)果可歸因于由納米粒子、超晶格和宏觀陣列的層級(jí)變換中產(chǎn)生的原子取向的一致性。
圖 4. 由晶化超晶格陣列構(gòu)造的微型背光顯示面板 . （來(lái)源： SCIENCE ADVANCES ）
該研究成果以 “Printable assemblies of perovskite nanocubes on meter-scale panel” 為題發(fā)表于國(guó)際著名期刊Science子刊 Science Advances （DOI: 10.1126/sciadv.add155 ）。該研究工作為多尺度有序體系的構(gòu)筑與加工提供了新的思路，也為開(kāi)發(fā)高效發(fā)光器件提供了新的物理模型。這種模板輔助的液體裂分技術(shù)可用于設(shè)計(jì)復(fù)雜的超完美組裝系統(tǒng)，并由此獲得的晶化超晶格陣列將有助于滿足高亮度和多光子量子光源的需求，并為下一代發(fā)光器件的小型化、表面圖案化、高偏振率、超高亮度和超寬色域的開(kāi)發(fā)提供可能。本研究工作在王鐵教授的專業(yè)指導(dǎo)下完成。本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的大力支持。

作者簡(jiǎn)介

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王鐵教授，博士生導(dǎo)師， 2013 年歸國(guó)，現(xiàn)任天津理工大學(xué)校長(zhǎng)助理、生命健康智能檢測(cè)研究院院長(zhǎng)。主要以納米材料自組裝結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，長(zhǎng)期致力于疾病體外分析檢測(cè)的研究及應(yīng)用，圍繞疾病標(biāo)志物檢測(cè)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展了系統(tǒng)的原創(chuàng)性工作，并取得了一系列創(chuàng)新性成果和突出成績(jī)。入選國(guó)家基金委杰出青年科學(xué)基金，國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國(guó)家基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金，國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃等。曾獲 IAAM Medal 獎(jiǎng)，中國(guó)分析測(cè)試協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。已在 Science,  Science Advances , Nature Communications,   Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition 等國(guó)際權(quán)威刊物上發(fā)表高水平研究論文超 100 篇 （總他引次數(shù)超 6000 ）。
李曉，博士，現(xiàn)任職于天津理工大學(xué)生命健康智能檢測(cè)研究院。近年來(lái)致力于自下而上的介觀物質(zhì)構(gòu)筑、調(diào)控與高效傳感的研究，研究方向包括新型納米材料的合成及其圖案化在分析檢測(cè)中的應(yīng)用、功能納米超結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其光電應(yīng)用研究、仿生智能微納界面制備與調(diào)控等。在 Science Advances 、 Advanced Materials 、 Nano Research 、  Science China Materials 等雜志發(fā)表高水平論文多篇，獲得授權(quán)專利 2 項(xiàng)， SCI 期刊審稿人，并擔(dān)任 SCI 期刊客座編輯等。

原文鏈接

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

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