華南理工大學實現(xiàn)了量子點可控生長

欄目第二期為大家介紹的是來自華南理工大學發(fā)光材料與器件國家重點實驗室董國平課題組的研究成果，其課題組在鈣鈦礦量子點的制備方法上進行創(chuàng)新，實現(xiàn)了量子點可控生長，發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦量子點猝滅后通過熱處理發(fā)光得到恢復等一些特性，并拓展了其在顯示、信息防偽和可擦寫信息存儲等領域的潛在應用。

背景介紹

讓我們先從材料本身開始了解：鈣鈦礦是一種新興發(fā)光材料，具有低成本、易制備、溶液處理方便、能帶在可見光范圍內(nèi)可精確控、超高量子產(chǎn)率等等優(yōu)點，因此關于該材料的研究也成為了科研熱門研究方向之一。作為光吸收材料，鈣鈦礦可被應用作太陽能電池和光電探測器，反過來，作為發(fā)光材料，鈣鈦礦可被應用在發(fā)光二極管和激光上。但與之對應的，鈣鈦礦因形成能較低等因素，穩(wěn)定性較差，空氣和潮濕的外在環(huán)境下，其中的鉛元素容易氧化使碘揮發(fā)，且當晶體遇濕時則易分解，一些物質(zhì)的分解變質(zhì)也會造成有毒物質(zhì)的釋放，減少器件本身的壽命，同時還對人造成危害。如何提高鈣鈦礦材料及其制得的器件的穩(wěn)定性是鈣鈦礦研究領域的挑戰(zhàn)性問題。

董國平課題組利用飛秒激光輻照和熱處理實現(xiàn)了鈣鈦礦量子點在玻璃內(nèi)部任意位置的可控生長，并實現(xiàn)了飛秒激光和熱處理操控鈣鈦礦量子點的可逆形成與發(fā)光，拓展了量子點在三維顯示、信息防偽以及可擦重寫超高密度信息存儲領域的潛在應用。該成果在《自然-光子學》（Nature Photonics）上以《超快激光三維操控透明玻璃材料內(nèi)部鈣鈦礦量子點的可逆生長》（“Reversible 3D laser printing of perovskite quantum dots inside a transparent medium”）為題發(fā)表,論文第一作者為華南理工大學博士研究生黃雄健，論文通訊作者為華南理工大學董國平教授，論文合作作者有中國科技大學、浙江大學等單位的研究人員。

基本特性 量子點生長方法

半導體的三維圖案化對探索光電子學的新功能和新應用具有潛在的重要意義?；诜蔷€性多光子效應，超快脈沖激光加工具備高精度、高效率、高度局域等優(yōu)勢，是透明材料三維加工的有效方法。

董國平課題組在研究內(nèi)容中報道了一種利用飛秒激光和熱處理在透明介質(zhì)中可逆操控鈣鈦礦量子點生長的方法。首先，研究人員制備了含有鈣鈦礦前驅(qū)體元素的透明玻璃，然后將飛秒激光聚焦于玻璃內(nèi)部，飛秒激光極高的峰值功率使激光焦點附近瞬間產(chǎn)生高溫，促使原子遷移形成晶核；再通過后續(xù)熱處理，激光輻照區(qū)域的晶核長大形成CsPbBr3量子點，而非激光輻照區(qū)域保持不變。在紫外光照射下，激光輻照區(qū)域獲得強烈的綠光發(fā)射。得益于具有無規(guī)則網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的透明玻璃介質(zhì)的保護，鈣鈦礦量子點的抗?jié)窈涂篃崮芰Υ蟠筇岣摺?/p>

飛秒激光直寫鈣鈦礦量子點（原理示意圖）

性能特點 量子點可重構(gòu)特性

鈣鈦礦量子點的光穩(wěn)定性較差，強光輻照會使鈣鈦礦量子點分解。因此，當再次用飛秒激光對玻璃中已形成的鈣鈦礦量子點進行輻照時，量子點的發(fā)光迅速猝滅。有趣的是，研究中發(fā)現(xiàn)如果將玻璃再次進行熱處理，猝滅后的鈣鈦礦量子點的發(fā)光能夠恢復。

此過程可以多次重復，并且多次循環(huán)后，鈣鈦礦量子點的發(fā)光依然能夠恢復到原有的90%以上（圖2）。其機理可歸因于鈣鈦礦本征的離子型晶體結(jié)構(gòu)和其較低的形成能，鈣鈦礦量子點容易受到破壞的同時也容易修復。

在飛秒激光輻照下，已形成的鈣鈦礦量子點部分溶解進入玻璃基質(zhì)中，因此發(fā)光猝滅。而再次通過熱處理，玻璃中存在的量子點組成元素（Cs、Pb、Br）在熱場的驅(qū)動下產(chǎn)生遷移和結(jié)構(gòu)重構(gòu)形成量子點，使得其發(fā)光得到恢復。

玻璃中鈣鈦礦量子點發(fā)光的多次循環(huán)擦除與恢復

部分測試結(jié)果與應用演示

在本模塊，小編選取了部分材料結(jié)構(gòu)和應用演示的材料形貌像和原理示意圖。

鈣鈦礦量子點的2D/3D圖案在信息存儲、信息防偽以及三維顯示的應用演示

應用前景

最后我們對研究成果進行一下回顧與總結(jié)：課題組在鈣鈦礦量子點的研究和制備中發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦量子點的可逆發(fā)光性能，并利用飛秒激光與電控三維操作平臺的結(jié)合，在玻璃內(nèi)部將鈣鈦礦量子點進行二維和三維的圖案化的應用演示。此外，此方法通過飛秒激光參數(shù)與玻璃性能的調(diào)控，還可以實現(xiàn)其它鹵素鈣鈦礦量子點的可控析出和不同波長的可逆發(fā)光，并且能夠?qū)蝹€像素的寫入和擦除時間分別縮短至0.1s和0.01s、圖像分辨率提升至3μm。

從應用角度來說，此項研究不僅加深了人們對鈣鈦礦材料穩(wěn)定性的提高和性能恢復的理解，還拓展了鈣鈦礦量子點在三維顯示、信息防偽和三維超高密度可重寫信息存儲等領域的應用。

原文標題：科研前線 | 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室在鈣鈦礦量子點制備與特性研究上的新進展

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責任編輯：haq