华南理工大学实现了量子点可控生长

 

栏目第二期为大家介绍的是来自华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室董国平课题组的研究成果，其课题组在钙钛矿量子点的制备方法上进行创新，实现了量子点可控生长，发现了钙钛矿量子点猝灭后通过热处理发光得到恢复等一些特性，并拓展了其在显示、信息防伪和可擦写信息存储等领域的潜在应用。

 

背景介绍

 

让我们先从材料本身开始了解：钙钛矿是一种新兴发光材料，具有低成本、易制备、溶液处理方便、能带在可见光范围内可精确控、超高量子产率等等优点，因此关于该材料的研究也成为了科研热门研究方向之一。作为光吸收材料，钙钛矿可被应用作太阳能电池和光电探测器，反过来，作为发光材料，钙钛矿可被应用在发光二极管和激光上。但与之对应的，钙钛矿因形成能较低等因素，稳定性较差，空气和潮湿的外在环境下，其中的铅元素容易氧化使碘挥发，且当晶体遇湿时则易分解，一些物质的分解变质也会造成有毒物质的释放，减少器件本身的寿命，同时还对人造成危害。如何提高钙钛矿材料及其制得的器件的稳定性是钙钛矿研究领域的挑战性问题。

董国平课题组利用飞秒激光辐照和热处理实现了钙钛矿量子点在玻璃内部任意位置的可控生长，并实现了飞秒激光和热处理操控钙钛矿量子点的可逆形成与发光，拓展了量子点在三维显示、信息防伪以及可擦重写超高密度信息存储领域的潜在应用。该成果在《自然-光子学》（Nature Photonics）上以《超快激光三维操控透明玻璃材料内部钙钛矿量子点的可逆生长》（“Reversible 3D laser printing of perovskite quantum dots inside a transparent medium”）为题发表,论文第一作者为华南理工大学博士研究生黄雄健，论文通讯作者为华南理工大学董国平教授，论文合作作者有中国科技大学、浙江大学等单位的研究人员。

基本特性 量子点生长方法

 

半导体的三维图案化对探索光电子学的新功能和新应用具有潜在的重要意义。基于非线性多光子效应，超快脉冲激光加工具备高精度、高效率、高度局域等优势，是透明材料三维加工的有效方法。

董国平课题组在研究内容中报道了一种利用飞秒激光和热处理在透明介质中可逆操控钙钛矿量子点生长的方法。首先，研究人员制备了含有钙钛矿前驱体元素的透明玻璃，然后将飞秒激光聚焦于玻璃内部，飞秒激光极高的峰值功率使激光焦点附近瞬间产生高温，促使原子迁移形成晶核；再通过后续热处理，激光辐照区域的晶核长大形成CsPbBr3量子点，而非激光辐照区域保持不变。在紫外光照射下，激光辐照区域获得强烈的绿光发射。得益于具有无规则网络结构的透明玻璃介质的保护，钙钛矿量子点的抗湿和抗热能力大大提高。

飞秒激光直写钙钛矿量子点（原理示意图）

性能特点 量子点可重构特性

 

钙钛矿量子点的光稳定性较差，强光辐照会使钙钛矿量子点分解。因此，当再次用飞秒激光对玻璃中已形成的钙钛矿量子点进行辐照时，量子点的发光迅速猝灭。有趣的是，研究中发现如果将玻璃再次进行热处理，猝灭后的钙钛矿量子点的发光能够恢复。

此过程可以多次重复，并且多次循环后，钙钛矿量子点的发光依然能够恢复到原有的90%以上（图2）。其机理可归因于钙钛矿本征的离子型晶体结构和其较低的形成能，钙钛矿量子点容易受到破坏的同时也容易修复。

在飞秒激光辐照下，已形成的钙钛矿量子点部分溶解进入玻璃基质中，因此发光猝灭。而再次通过热处理，玻璃中存在的量子点组成元素（Cs、Pb、Br）在热场的驱动下产生迁移和结构重构形成量子点，使得其发光得到恢复。

玻璃中钙钛矿量子点发光的多次循环擦除与恢复

部分测试结果与应用演示

在本模块，小编选取了部分材料结构和应用演示的材料形貌像和原理示意图。

钙钛矿量子点的2D/3D图案在信息存储、信息防伪以及三维显示的应用演示

应用前景

 

最后我们对研究成果进行一下回顾与总结：课题组在钙钛矿量子点的研究和制备中发现了钙钛矿量子点的可逆发光性能，并利用飞秒激光与电控三维操作平台的结合，在玻璃内部将钙钛矿量子点进行二维和三维的图案化的应用演示。此外，此方法通过飞秒激光参数与玻璃性能的调控，还可以实现其它卤素钙钛矿量子点的可控析出和不同波长的可逆发光，并且能够将单个像素的写入和擦除时间分别缩短至0.1s和0.01s、图像分辨率提升至3μm。

从应用角度来说，此项研究不仅加深了人们对钙钛矿材料稳定性的提高和性能恢复的理解，还拓展了钙钛矿量子点在三维显示、信息防伪和三维超高密度可重写信息存储等领域的应用。

原文标题：科研前线 | 发光材料与器件国家重点实验室在钙钛矿量子点制备与特性研究上的新进展

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责任编辑：haq