噴墨打印廉價環(huán)保的水性鹵化鉛鈣鈦礦量子點油墨制備彩色轉(zhuǎn)換膜

2021-07-14 11:01 睿度光電RUIDU

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目前量子點油墨主要使用昂貴的、有毒的、易燃的有機物質(zhì)作為溶劑，針對此背景，廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室的解榮軍教授課題組提出了以水作為溶劑，通過MicroFab Jetlab 4-xl噴墨打印設備利用鹵化物和聚乙烯醇基水性油墨原位制備了綠色轉(zhuǎn)換膜，該轉(zhuǎn)換膜顯示出90μm的高分辨率點陣，85%的高光致發(fā)光量子產(chǎn)額，并且在環(huán)境中具有空氣和光穩(wěn)定性，藍色和紅色轉(zhuǎn)換膜也可以使用水性油墨進行噴墨打印制備，新型水性量子點油墨具有的高分辨率及高可靠性在mini/micro LED領(lǐng)域有*大前景。

鹵化鉛鈣鈦礦量子點（PQDs）由于其獨特的物理化學性質(zhì)，如可調(diào)節(jié)的發(fā)射波長，高色純度和高光致發(fā)光量子產(chǎn)額，常以溶液、粉末、涂層薄膜和帶有圖案的薄膜形式，應用于信息存儲和防偽領(lǐng)域中，為了擴大PQDs的應用，PQDs制備的彩色轉(zhuǎn)換膜（CCFs）最近被提議用于mini/micro LED組裝中，以實現(xiàn)全彩、高分辨率柔性顯示器的制備。目前，通常使用噴墨打?。↖nkjet printing）技術(shù)將鈣鈦礦量子點油墨制備成薄膜形態(tài)，制備過程中使用的油墨也有多種，一種是“熒光油墨”，將預合成的PQDs與一些添加劑（如聚合物、表面活性劑、粘度改善劑）混合，形成具有強發(fā)射力的均勻溶液；另外一種則是“非熒光”油墨，將PQDs的原料溶解在溶劑中，形成透明的前提溶液。廈門大學解榮軍教授課題組在“In Situ Inkjet Printing Patterned Lead Halide Perovskite Quantum Dot Color Conversion Films by Using Cheap and Eco-Friendly Aqueous Inks”（發(fā)表于《Small Methods》）的研究中，將水作為溶劑通過噴墨打印原位合成的方法加入鈣鈦礦量子點（PQD）/色彩轉(zhuǎn)換膜（CCFs）溶液中，替換了價格昂貴，毒性強，易燃的N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜等有機溶劑，并且符合當今倡導的“綠色化學”理念。

▲ 圖1 使用水性油墨原位打印MAPbBr₃/PVA的示意圖

通過將MaBr、PbBr₂、PVA、H₂O注入MicroFab Jetlab 4-xl的四路通道中，在特定的驅(qū)動電壓波形的刺激下產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的液滴，根據(jù)預設值的程序，依次在石英玻璃基片上進行點陣或者圖形的噴墨打印，每種材料噴墨打印的圖形會在原位重合，當油墨干燥時，伴隨著水的蒸發(fā)而達到飽和狀態(tài)。

解榮軍教授課題組還研究了噴墨打印出的MAPbBr₃的大小和均勻性，這決定了最后顯示器件的分辨率和有效亮度區(qū)域，因此有必要通過調(diào)節(jié)噴墨打印參數(shù)控制MaPbBr₃的像素。研究表明，襯底溫度對CCFs的形貌和光致發(fā)光有*大的影響，下圖是在不同襯底溫度下的噴墨打印圖形，在365nm激發(fā)下顯示出不同的熒光，研究表明，顯示不同的熒光是因為圖形的均勻性不同，而均勻性不同的根本原因是因為在不同的襯底溫度下，原位合成的鈣鈦礦量子點溶液的各組成成分的結(jié)晶速度不同，當襯底溫度低于60℃時，PQDs的結(jié)晶速度*慢，聚合物首先凝固，然后馬蘭戈尼對流會帶來鈣鈦礦的前驅(qū)體朝向液滴中心移動，導致均勻性較差，而當襯底的溫度較高時，PQDs和聚合物可以在相似的時間內(nèi)結(jié)晶，因此有著較好的均勻性，這表明在高溫下打印CCFs可以獲得優(yōu)異的光學性能。

藍色和紅色MAPbBr₃ CCFs也可通過噴墨打印方式制備，下圖是研究人員打印的廈門大學?；占岸S碼。

綜上所述，解榮軍教授課題組開發(fā)的通過噴墨打印原位合成的MAPbBr₃廉價環(huán)保水性油墨制備的CCFs在526nm出呈現(xiàn)出強烈的綠色發(fā)射帶，F(xiàn)WHM為22nm，PLQY為85%，通過控制襯底溫度，優(yōu)化了熒光均勻性和像素大小。全彩（紅、綠、藍）PQD/PVA CCFs均可由水性油墨產(chǎn)生，與使用昂貴或者有毒的有機溶劑的傳統(tǒng)噴墨方式相比，此研究采用的方法可以打印出穩(wěn)定的、PLQY可接受、高分辨率、高色純度的CCFs，對含水鈣鈦礦油墨和噴墨打印印刷參數(shù)的優(yōu)化研究具有重大意義。

參考文獻：

[1] In Situ Inkjet Printing Patterned Lead Halide Perovskite Quantum Dot Color Conversion Films by Using Cheap and Eco‐Friendly Aqueous Inks[J]. Small Methods, 2020.

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