Eendimensionale nanomaterialen met sterk anisotrope opto-elektronische eigenschappen kunnen worden gebruikt in toepassingen voor het oogsten van energie, flexibele elektronica en biomedische beeldvormingsapparatuur. In materiaalkunde en nanotechnologie, 3D-patroonmethodes kunnen worden gebruikt om nanodraden nauwkeurig te assembleren met lokaal gecontroleerde samenstelling en oriëntatie om nieuwe opto-elektronische apparaatontwerpen mogelijk te maken. In een recent rapport, Nanjia Zhou en een interdisciplinair onderzoeksteam aan de Harvard University, Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering, Lawrence Berkeley National Laboratory en het Kavli Energy Nanoscience Institute ontwikkelden en 3D-geprinte nanocomposietinkten die zijn samengesteld uit helder emitterend colloïdaal cesium-loodhalogenideperovskiet (CsPbX ₃ , waarbij X=Cl, Br, of I) nanodraden.

Ze hingen de heldere nanodraden op in een polystyreen-polyisopreen-polystyreen blokcopolymeermatrix en bepaalden de uitlijning van de nanodraad met behulp van een geprogrammeerd printpad. De wetenschapper produceerde optische nanocomposieten die sterk gepolariseerde absorptie- en emissie-eigenschappen vertoonden. Om de veelzijdigheid van de techniek te benadrukken, produceerden ze verschillende apparaten, inclusief optische opslag, encryptie, detectie en full colour displays. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

De unieke anisotrope opto-elektronische eigenschappen van halfgeleidende nanodraden komen voort uit kwantum- en diëlektrische effecten voor brede toepassingen in elektronica en fotonica. Er kunnen nieuwe wegen worden geopend om opto-elektronische apparaten te assembleren door 1-D nanomaterialen nauwkeurig in vlakke en 3D-structuren te modelleren. Vergeleken met veel soorten halfgeleiderdraden die tot nu toe zijn gerapporteerd, cesium-loodhalogenide nanodraden (CsPbX ₃ ) met een perovskiet-kristalstructuur hebben verschillende voordelen geboden voor opto-elektronische toepassingen. De loodhalogenide-perovskiet-nanokristallen zijn ultrahelder en vertonen een bijna-eenheid kwantumopbrengst zonder een omhullende schaal - in tegenstelling tot conventionele, colloïdale halfgeleidende nanokristallen met een kern-schilstructuur.

Materiaalwetenschappers kunnen de halogenidesamenstelling en bandgap van perovskieten wijzigen om heldere en afstembare emissies te vormen over het gehele zichtbare spectrale bereik. Door de unieke materiaaleigenschappen en hoge kwantumopbrengsten, perovskiet nanodraden hebben potentiële toepassingen in opto-elektronica, als actieve lagen in liquid crystal display (LCD) achtergrondverlichting, spectrum splitsing, gepolariseerde fotodetectoren en optisch gepompte lasers. Onderzoekers hebben verschillende planaire en 3D-patroonmethoden onderzocht, inclusief op extrusie gebaseerd 3D-printen via direct ink writing (DIW) om vormveranderende architecturen te vormen die zijn samengesteld uit cellulosefibrillen en uitgelijnd in een hydrogelmatrix. Echter, algemene toepassingen van DIW om functionele architecturen in fotonische apparaten te modelleren, moeten nog worden onderzocht.

In het huidige werk, Zhou et al. ontworpen, gedrukte en gekarakteriseerde gepolariseerde optische architecturen samengesteld uit perovskiet nanodraad gevulde blokcopolymeermatrices. Voor deze, ontwikkelden ze een nanocomposiet-inkt met de perovskiet-nanodraadbundels ingebed in een cilindrische, microfase polystyreen-polyisopreen-polystyreen (SIS) blokcopolymeermatrix. Met behulp van de voorgestelde methode, Zhou et al. verwacht andere anisotrope materialen, waaronder metalen, halfgeleiders en blokcopolymeren, en diëlektrische nanodraden die op vergelijkbare wijze programmeerbaar van patroon zijn.

De wetenschappers vormden verschillende inkten bestaande uit nanodraden door de SIS-concentratie te variëren om afschuifverdunningsgedrag en visco-elastische respons te ontwikkelen die nodig zijn voor DIW (direct ink writing). Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS) metingen, ze onthulden de geordende hexagonale microdomeinen van de SIS-blokcopolymeerfilamenten en onthulden de gedrukte SIS-CsPbBr ₃ nanocomposieten sterk uitgelijnd langs de printrichting. Deze patroonmethode maakte programmeerbare nanodraadoriëntatie in de geprinte optische composieten mogelijk om hun gepolariseerde en hoekige emissie te beïnvloeden.

Tijdens het schrijven met directe inkt, Zhou et al. gegenereerde printpaden met behulp van G-code gegenereerd via MatLab, Slic3r en CIMCO en gebruikten glazen mondstukken om nanocomposiet-architecturen op glazen dekglaasjes te vormen. Toepassingen van digitaal geprogrammeerde polarisatie-anisotropie in 3D-geprinte nanocomposieten demonstreren; Zhou et al. ontwierp eerst een 3-bit grijswaardenafbeelding van vierkante pixels (200 x 200 µm). Met behulp van de techniek, de wetenschappers bereikten geavanceerde architecturen met patronen om te dienen als optische geheugens voor eenmaal gelezen vele (WORM) keer-apparaten voor gegevensopslag.

De afgedrukte architecturen kunnen worden gebruikt voor beveiligingscodering in versleutelbare geheugens door meerlaagse architecturen af ​​te drukken met verschillende optische informatie die in elke laag is opgeslagen. Als een proof-of-principle, Zhou et al. vormden de letters 'LIGHT' in een vijflaags apparaat waarin ze elke letter op verschillende hoogtes bekeken. Ze drukten de letters 'H' en 'I' in willekeurige oriëntaties af en bekeken selectief elke letter in de transparante matrix met behulp van een polarisator op de juiste hoek. toonden de wetenschappers de mogelijkheid om een ​​emissiepatroon te versleutelen, bijvoorbeeld de letter H—door het materiaal uit te rekken. Ze zien het potentieel om dynamische camouflage te creëren in huidachtige materiaalarrangementen waar verschillende optische patronen verschijnen en verdwijnen bij mechanisch rekken.

Daarna, ze breidden het concept uit om de RGB na te bootsen (rood, groente, blauwe) kwantumstippen die veel worden gebruikt bij het mengen van kleuren. Voor deze, Zhou et al. gebruikte anionenuitwisselingsreacties om halide-perovskieten te verkrijgen bestaande uit rood-emitterende en blauw-emitterende nanodraden en creëerden afstembare, gemultiplexte kleurendisplays met behulp van multi-materiaal 3D-printen. Hoewel perovskiet-nanodraden nog niet optimaal geschikt zijn als materiaal voor beeldschermtoepassingen, het werk benadrukte het vermogen om programmeerbare controle uit te oefenen op de nanodraadsamenstelling en uitlijning aangeboden via digitale assemblage. Zhou al. presenteerde de afstembare spectrale reacties van de gemultiplexte RGB-array en het bijbehorende kleurbereik in het CIE-chromaticiteitsdiagram (commissie voor verlichting) om het opmerkelijk eenvoudige ontwerp te tonen dat door de gedrukte displays wordt geboden om kleurafstembaarheid te bereiken.

Unlike LCDs that rely on conventional quantum dot color filters, the printed films in the present work used direct polarization photon downshifters, also known as "active" color filters. Zhou et al. intend to improve both nanowire synthesis and printing to achieve higher efficiencies for display applications.

Op deze manier, Nanjia Zhou and co-workers showed that direct writing nanocomposite inks composed of perovskite nanowire-filled block copolymer matrices could pattern optoelectronic devices in numerous designs. They programmed the nanowire composition and alignment to create optical nanocomposites for applications in information storage, encryptie, mechano-optical sensing and optical displays. The new findings will provide a pathway to rapidly design and manufacture functional devices from anisotropic building blocks encapsulated in soft polymer matrices.

© 2019 Wetenschap X Netwerk