Nanocompuestos supramoleculares de copolímero en bloque de nanocables de perovskita. (A) Diagrama esquemático de la estructura del cristal de perovskita. (B) PL de CsPbX3 (X =I, Br, y Cl) nanocables de perovskita en solución de tolueno. La composición de haluros determina la banda prohibida del material y el color de la luz emitida (λexcitación =380 nm). (C) Imágenes TEM de paquetes alineados naturalmente de nanocables de perovskita CsPbBr3 (longitud, ~ 1 μm; diámetro, ~ 10 nm). (D) Imágenes TEM (arriba) y mediciones SAXS (abajo) de los filamentos SIS puros sin nanocables impresos con una boquilla de 1 mm de diámetro (izquierda, muestra impresa horizontalmente; Derecha, secciones transversales de filamentos), demostrando dominios hexagonales SIS separados por microfase con orden de largo alcance y anisotropía. La flecha roja indica la impresión y la dirección de alineación del microdominio. (E) Una proyección de intensidad máxima de la imagen confocal de fluorescencia de pila z del filamento de copolímero de bloque de nanocables impreso (diámetro, 100 µm; λexcitación =365 nm). (F) Imágenes TEM representativas de filamentos nanocompuestos impresos con una boquilla de 1 mm de diámetro que muestran nanocables de perovskita orientados en paralelo con la dirección de impresión y se ajustan localmente a los microdominios de copolímero de bloque SIS. Una imagen TEM de mayor aumento (recuadro) muestra que los nanocables se segregan principalmente en dominios ricos en PI. Las muestras de TEM en (D) y (F) se seccionan usando crio-ultramicrotomo y se tiñen con OsO4, que oscurece selectivamente los dominios PI. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav8141
Los nanomateriales unidimensionales con propiedades optoelectrónicas altamente anisotrópicas se pueden utilizar en aplicaciones de recolección de energía, dispositivos electrónicos flexibles y de imágenes biomédicas. En ciencia de materiales y nanotecnología, Los métodos de creación de patrones 3-D se pueden utilizar para ensamblar con precisión nanocables con una composición y orientación controladas localmente para permitir nuevos diseños de dispositivos optoelectrónicos. En un informe reciente, Nanjia Zhou y un equipo de investigación interdisciplinario de la Universidad de Harvard, Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica, El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Instituto Kavli Energy Nanocience desarrollaron tintas nanocompuestas impresas en 3D compuestas de perovskita de haluro de plomo y cesio coloidal de emisión brillante (CsPbX 3 , donde X =Cl, Br, o yo) nanocables.
Suspendieron los nanocables brillantes en una matriz de copolímero de bloques de poliestireno-poliisopreno-poliestireno y definieron la alineación de los nanocables utilizando una ruta de impresión programada. El científico produjo nanocompuestos ópticos que exhibían propiedades de absorción y emisión altamente polarizadas. Para resaltar la versatilidad de la técnica, produjeron varios dispositivos, incluido el almacenamiento óptico, cifrado sensores y pantallas a todo color. El trabajo ahora está publicado en Avances de la ciencia .
Las propiedades optoelectrónicas anisotrópicas únicas de los nanocables semiconductores surgen de efectos cuánticos y dieléctricos para aplicaciones de amplio rango en electrónica y fotónica. Se pueden abrir nuevos caminos para ensamblar dispositivos optoelectrónicos modelando con precisión nanomateriales 1-D en estructuras planas y 3-D. En comparación con muchos tipos de cables semiconductores informados hasta ahora, nanocables de haluro de plomo y cesio (CsPbX 3 ) con una estructura de cristal de perovskita han ofrecido varias ventajas para aplicaciones optoelectrónicas. Los nanocristales de perovskita de haluro de plomo son ultrabrillantes y exhiben un rendimiento cuántico cercano a la unidad sin una capa encapsulante, en contraste con los convencionales, nanocristales semiconductores coloidales con estructura de núcleo-capa.
Emisión polarizada de nanocompuestos de perovskita impresos. (A) Imágenes de Fourier que muestran la emisión angular de un haz de nanocables en el filamento impreso. El ángulo polar (θ) se traza radialmente desde 0 ° (centro) a 70 ° (borde exterior). El ángulo azimutal (φ) se traza alrededor del círculo comenzando en el lado derecho. Imagen de Fourier de un filamento horizontal (izquierda) y vertical (derecha) en un portaobjetos de vidrio (dibujos animados, cima). El patrón de emisión angular muestra la alineación de los nanocables a lo largo del eje del filamento. (B) Emisión polarizada de compuestos de nanocables impresos, medido utilizando un polarizador lineal instalado en la ruta de emisión y dos polarizadores lineales instalados tanto en la ruta de excitación como en la de emisión. a.u., unidades arbitrarias. (C) Ejemplo artístico de composites impresos utilizando su emisión polarizada (adaptado de M. C. Escher, Cielo y agua I art). Se revelan diferentes partes para (izquierda) sin polarización, polarización horizontal (media), y (derecha) polarización vertical. Barras de escala, 1 mm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav8141
Los científicos de materiales pueden modificar la composición de haluros y la banda prohibida de las perovskitas para formar emisiones brillantes y sintonizables en todo el rango espectral visible. Como resultado de las propiedades únicas del material y los altos rendimientos cuánticos, Los nanocables de perovskita tienen aplicaciones potenciales en optoelectrónica, como capas activas en la retroiluminación de la pantalla de cristal líquido (LCD), división del espectro, fotodetectores polarizados y láseres de bombeo óptico. Los investigadores han explorado varios métodos de creación de patrones planos y tridimensionales, incluida la impresión 3-D basada en extrusión mediante escritura con tinta directa (DIW) para formar arquitecturas que cambian de forma compuestas de fibrillas de celulosa y alineadas en una matriz de hidrogel. Sin embargo, Las aplicaciones generales de DIW para modelar arquitecturas funcionales en dispositivos fotónicos aún quedan por explorar.
En el presente trabajo, Zhou y col. diseñado, arquitecturas ópticas polarizadas impresas y caracterizadas compuestas por matrices de copolímeros de bloques rellenos de nanocables de perovskita. Para esto, desarrollaron una tinta nanocompuesta con los haces de nanocables de perovskita incrustados en un cilindro, Matriz de copolímero en bloque de poliestireno-poliisopreno-poliestireno (SIS) microfase. Usando el método propuesto, Zhou y col. esperar otros materiales anisotrópicos, incluidos los metales, semiconductores y copolímeros de bloque, y nanoalambres dieléctricos para ser modelados de manera programable de manera similar.
Dispositivo fotónico de cinco capas que muestra el patrón “L-I-G-H-T” obtenido mediante microscopía de fluorescencia polarizada a lo largo de la dirección z. Las cinco letras están impresas en paralelo a la dirección de polarización. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav8141
Los científicos formaron diferentes tintas compuestas de nanocables variando la concentración de SIS para desarrollar el comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento y la respuesta viscoelástica requerida para DIW (escritura directa con tinta). Usando microscopía electrónica de transmisión (TEM) y mediciones de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), revelaron los microdominios hexagonales ordenados de los filamentos de copolímero de bloque SIS y revelaron el SIS-CsPbBr impreso 3 nanocomposites para estar altamente alineados a lo largo de la dirección de impresión. Este método de creación de patrones permitió que la orientación programable de nanocables en los compuestos ópticos impresos influyera en su emisión polarizada y angular.
Durante la escritura con tinta directa, Zhou y col. rutas de impresión generadas utilizando código G generado a través de MatLab, Slic3r y CIMCO y utilizaron boquillas de vidrio para formar arquitecturas de nanocompuestos en cubreobjetos de vidrio. Demostrar las aplicaciones de la anisotropía de polarización programada digitalmente en nanocompuestos impresos en 3D; Zhou y col. diseñó por primera vez una imagen en escala de grises de 3 bits de píxeles de forma cuadrada (200 x 200 µm). Usando la técnica, Los científicos lograron arquitecturas de patrones avanzadas para que sirvan como memorias ópticas para dispositivos de almacenamiento de datos de escritura una vez y muchas veces leídos (WORM).
Nanocompuestos de perovskita polarizados mediante impresión 3D. (A) Una foto (izquierda) se reduce a una imagen en escala de grises de 3 bits que consta de 60 (ancho) × 90 (alto) píxeles de forma cuadrada (izquierda, recuadro). Aprovechando las intensidades de emisión dependientes del ángulo de polarización, convertimos las intensidades de la escala de grises a ocho direcciones de impresión diferentes (arriba a la derecha) e imprimimos la imagen (centro). (B) Hologramas de polarización. Cuando se ve usando un par de polarizadores lineales, el dispositivo de dos capas proyecta una imagen del Taj Mahal (impresa horizontalmente, polarización horizontal) y Ciudad Prohibida (impresa verticalmente, polarización vertical). (C y D) Un metamaterial mecano-óptico basado en una estructura auxética. (C) La celda unitaria (arriba) consta de cuatro cuadrados giratorios, que puede girar hasta 45 °. La emisión dependiente de la polarización da como resultado una relación tensión-intensidad (abajo). (D) Esta estructura es flexible y se puede adherir a un dedo (arriba). Someterse a movimientos de estiramiento reversibles, la letra H con patrón digital (impresa en dirección vertical y en paralelo con los polarizadores) se muestra (izquierda) o encriptada (derecha). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav8141
Las arquitecturas impresas se pueden utilizar para el cifrado de seguridad en memorias cifrables mediante la impresión de arquitecturas multicapa con diferente información óptica almacenada en cada capa. Como prueba de principio, Zhou y col. modelaron las letras "LIGHT" en un dispositivo de cinco capas en el que vieron cada letra a diferentes alturas. Imprimieron las letras "H" e "I" en orientaciones aleatorias y vieron selectivamente cada letra en la matriz transparente mediante el uso de un polarizador en el ángulo apropiado. Además, los científicos mostraron la posibilidad de cifrar un patrón de emisión, por ejemplo, la letra H — estirando el material. Ellos visualizan el potencial para crear un camuflaje dinámico en arreglos de materiales similares a la piel donde diferentes patrones ópticos emergen y desaparecen en el estiramiento mecánico.
Después de eso, ampliaron el concepto para imitar el RGB (rojo, verde, azul) puntos cuánticos que se utilizan ampliamente en la mezcla de colores. Para esto, Zhou y col. utilizaron reacciones de intercambio aniónico para obtener perovskitas de haluro compuestas de nanocables emisores de rojo y azul y crearon sintonizables, Pantallas en color multiplexadas con impresión 3D de varios materiales. Aunque los nanocables de perovskita aún no son óptimos como materiales para aplicaciones de visualización, el trabajo destacó la capacidad de ejercer un control programable sobre la composición y alineación de nanocables ofrecidos a través del ensamblaje digital. Zhou y col. presentó las respuestas espectrales sintonizables de la matriz RGB multiplexada y su rango de color correspondiente en el diagrama de cromaticidad CIE (comisión de iluminación) para mostrar el diseño notablemente simple que ofrecen las pantallas impresas para lograr la sintonización del color.
Multiplexación de color sintonizable por polarizador. (A) Espectros PL polarizados de los nanocompuestos impresos que incorporan CsPbBr3 (verde), CsPb (Br0.2I0.8) 3 (rojo), y CsPb (Br0.2Cl0.8) 3 (azul) nanocables, tomado con un par de dos polarizadores lineales instalados en las rutas de excitación y emisión. (B) Imágenes ópticas de conjuntos de píxeles impresos que muestran multiplexación de emisión dependiente de la polarización. Las imágenes se toman utilizando un microscopio multifotónico con una fuente de excitación polarizada y con un polarizador lineal en la ruta de emisión. (C) Perfiles de emisión espectral de la matriz de píxeles basados en mosaicos hexagonales de rojo, verde, y nanocompuestos de perovskita emisores de luz azul impresos a lo largo de tres direcciones orientadas con una diferencia de 60 ° al girar ambos polarizadores. (D) Its corresponding colors on CIE 1931 chromaticity diagram (right). Two types of potential display operations are presented. The solid line and triangles represent colors using the multiplexed RGB pixel arrays in (B). NWs, nanowires. The dashed lines and circles represent the multiplexed RG, RB, and GB pixel arrays printed in two orthogonal directions. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aav8141.
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.
De este modo, 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, encryption, 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 Science X Network
