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利用喷墨打印技术制备用于图案化应用的钙钛矿纳米复合材料荧光微阵列

发布时间:2020-12-25
发布人:RUIDU

摘要:钙钛矿材料在背光,色彩转换和使用溶液工艺制造的防伪标签等应用中展现出了广阔的前景。然而,由于那些材料具有不可控制的形态并形成大晶体的趋势,它们不能用于不连续的微型化,这对于实际的光电应用是至关重要的。因此,在这项研究中,结合添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的效果,精确控制喷墨打印技术以及使用后处理程序,原位制备具有理想形态的结晶钙钛矿-PVP纳米复合材料微阵列。钙钛矿前体的粘度随添加PVP而增加,从而消除了引起咖啡环效应的向外毛细流动。另外,由于在PVP中存在与C=O基团的金属键,并且这种聚合物的空间受限,因此制备了受PVP覆盖且尺寸分布均匀的CsPbBr3纳米晶体。所印刷的图案在宏观上显示出极好的均质性,在微观上显示出高再现性。此外,这些图案在周围环境中是不可见的,与柔性基板兼容,且生产成本低廉,表明该技术在防伪标签等应用中具有广阔的发展潜力。

几十年来,固溶处理的不连续微型化在全彩色显示器,彩色绘画,安全标签,微透镜,以及生物和化学分析中的普遍应用受到人们广泛研究。喷墨打印,无接触式无掩模能够与多种基材兼容的材料有效技术是这种微小型化的最佳选择,这归因于其具有控制尺寸和位置的先进能力以及其对预先设计的图案的可靠再现性。尽管喷墨打印是有前途的,但相对流体动力学和干燥过程带来了一定的挑战,例如需要多种功能组件,其中可印刷油墨是必不可少的部分。近年来,金属卤化物钙钛矿因其令人印象深刻的光电性能和便捷的溶液可加工性而在太阳能电池领域取得了巨大成功,并已扩展到包括发光二极管,光电探测器,激光器和安全标签在内的各种应用中。因此,喷墨印刷和钙钛矿材料的组合是已经存在的。

对于图案化荧光应用,本文提出了一种简便的策略,可以通过喷墨印刷来制备不连续的点构成的原位结晶钙钛矿纳米复合材料的微型阵列。其中重点介绍了钙钛矿前体油墨中的长链聚乙烯吡咯烷酮(PVP)添加剂,该添加剂可实现可再现的球形帽点形态和优选的钙钛矿结晶。此类墨水的粘度随添加PVP而增加,从而消除了引起咖啡环效应的向外毛细流动。此外,由于在PVP中具有与C=O基团的金属键和这种聚合物的空间限制,可以形成被PVP覆盖并显示出均匀的尺寸分布的调节的CsPbBr3纳米颗粒。在紫外线的刺激下,这些CsPbBr3/PVP纳米复合材料发出明亮的绿光,其荧光峰集中在519 nm处,半峰全宽为18 nm,具有窄的全宽度。基于这种策略,可以轻松制作出任何精心设计的图案。

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▲ 图1 描述了使用喷墨印刷技术制备的钙钛矿纳米复合材料的原位结晶过程。主要的步骤是通过将溴化铯(CsBr),溴化铅(PbBr2)和PVP添加到二甲亚砜(DMSO)的溶剂中来制备用于喷墨打印的前体墨水。然后,通过配备有直径为60μm压电驱动喷墨喷嘴的高精度打印机(MicroFab Jetlab®Ⅱ)在驱动电压波形的刺激下将预制备的墨水喷墨印刷在基板上。结果如下图所示,所印刷的图案在宏观上显示出极好的均质性,在微观上显示出高再现性。此外,它们在周围环境中是不可见的,与柔性基板兼容,并且制造成本低廉,表明该技术为防伪标签等应用带来了希望。

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参考文献:

[1] Y. Liu, F.S Li, L.C. Qiu, et al. Fluorescent Microarrays of in Situ Crystallized Perovskite Nanocomposites Fabricated for Patterned Applications by Using Inkjet Printing [J]. ACS Nano, 19 (2013) 2042-2049.

DOI: 10.1021/acsnano.8b08582

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