科学家制出“摔不碎的屏幕”，兼具光电与机械性能的新型材料

文章发表在《science》上

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全新技术：量子点发光二极管

纵观半导体显示行业的发展，从常用的液晶显示屏（LCD）到有机发光显示屏（OLED），用于生产电子屏幕的材料在不断的更新换代。

当前，一类名为量子点发光二极管（QLED）的全新显示技术受到了研究人员和产业界的关注与青睐，这种屏幕拥有目前顶级的图像呈现效果及性能。

量子点从实质上来讲是一种特殊的半导体纳米材料 , 它三个维度的尺寸都在 100nm 以下 , 外观恰似一极小的点状物 , 其内部电子的能量在三个维度上都是量子化的。通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定频率的光。

不同大小的量子点在紫外线下发出不同颜色的光

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巨大潜力材料的致命缺陷

由于光电性能优异，近些年来铅基卤族钙钛矿纳米晶被认为是取代传统 OLED 电子屏幕、实现全彩显示的最优方案。

但目前，在实际的应用场景中，这类具有巨大潜力的材料依旧存在着一个致命的缺点：稳定性差。具体表现为多态性、对极性溶剂的不稳定性、相分离和对铅离子浸出的敏感性。无论是氧气、光照、热处理还是极性溶剂，都很容易让这种材料从光电性能良好的钙钛矿结构转化为非钙钛矿结构。例如，在潮湿度较高的空气中，铅基卤族钙钛矿纳米晶的光电性能只能保持几分钟。

使用表面配体可能为其中一些问题提供解决方案，但同时也存在着问题——会引起一系列功能损失包括 LHP 表面配体的脱落、从而使相转变，造成材料的降解。此外，这种材料在极性溶剂中稳定性很差，并且其中的铅容易泄漏、产生环境污染，造成安全隐患。

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新复合材料保证结构稳定

为了解决这个问题，研究团队以一种全新的视角，开发了一种新的复合材料，通过液相煅烧方法和传统球磨工艺将铯铅碘钙钛矿纳米晶包裹在多孔的金属有机物骨架玻璃（MOF）中，形成高性能复合材料的工业粉末加工技术可以应用于化学上制造稳定的光致发光复合玻璃。

" 不同于传统钙钛矿量子点的表面配体策略，我们主要通过 MOF 与钙钛矿材料表面形成的化学键以及尺寸效应来提升表面活化能，从而使钙钛矿结构稳定存在。" 这项研究的通讯作者之一，任职于昆士兰大学的王连洲教授表示。此外，MOF 可以防止空气中的水蒸气渗入，从而提升了这个复合结构的长期稳定性。

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光电性能与机械性能，二者兼得

研究团队评估了不同环境与操作环境中的复合材料。结果发现：在维持了钙钛矿纳米晶极高的发光效率的同时，新型材料还明显改善了传统钙钛矿量子点存在的稳定性差的缺陷。这种可加工的复合材料对无论是在水和有机溶剂中浸泡，还是暴露在热、光、空气和环境湿度下，都表现出高稳定性。

材料光致发光强度的变化，以及发光效果示意图

王连洲教授指出：多个因素共同作用保证了材料稳定、优良的光电性能。首先，研究使用的钙钛矿材料自身具备很强的缺陷忍耐度，因此晶体生长过程中形成的缺陷对其发光性能影响较小；其次，玻璃充当 LHPs 的基质，通过界面相互作用有效稳定非平衡钙钛矿相，这些相互作用还钝化了 LHP 表面缺陷，提升荧光量子产量；此外，钙钛矿与 MOF 复合材料的界面上所形成的化学键，也在一定程度上阻止了钙钛矿材料的相变、避免了在极性溶剂或湿度较高环境中的降解。

除了优良的光电性能，这种材料的机械性能同样优良。王连洲教授介绍称，新型复合玻璃在微观尺度上表现出了传统无机玻璃材料所不具有的机械性能：" 由于其内部中空结构比例较高，该种玻璃材料可以实现微观尺度的弹性，宏观上就降低了在应力下断裂的倾向。" 这正是这种材料制作的玻璃不容易碎裂的秘密。

实验中证实了材料的高强度：研究人员通过纳米压痕测试，结果表明复合了钙钛矿纳米晶的玻璃材料在杨氏模量及硬度方面都有所提升，进一步证实了复合材料界面优秀的相容性，为未来继续提高复合玻璃材料的机械性能提供了有力的理论支撑。

这项研究为我们展现了一种显示屏领域的全新材料。伴随着后续研究的推进与深入，或许这种拥有巨大应用潜力的材料会真正大规模量产、改变我们的生活。未来的某一天，我们使用的电视机、电脑，以及手机的屏幕，都将不再面临摔碎的风险。