一不留神，手機從掌心掉落，撞擊的聲音聲聲入耳，外觀不僅受損，設備的使用壽命更可能受到影響，但假裝鎮(zhèn)定的我們還是如無其事地撿起手機，嘆一句 " 反正沒爆屏，就沒事 "。當發(fā)生這樣的情況時，你是否產生過這樣的想法：如果有一個摔不碎的屏幕就好了。
近日，一項發(fā)表于《science》雜志的研究進一步實現(xiàn)了這個想法。澳大利亞昆士蘭大學領銜的國際合作團隊，以華人科學家王連洲教授為首開發(fā)出一種全新的復合材料，該材料有望生產出兼具穩(wěn)定性與優(yōu)越光電性能的下一代電子屏幕。
近日，一項發(fā)表于《science》雜志的研究進一步實現(xiàn)了這個想法。澳大利亞昆士蘭大學領銜的國際合作團隊，以華人科學家王連洲教授為首開發(fā)出一種全新的復合材料，該材料有望生產出兼具穩(wěn)定性與優(yōu)越光電性能的下一代電子屏幕。
文章發(fā)表在《science》上
01
全新技術：量子點發(fā)光二極管
縱觀半導體顯示行業(yè)的發(fā)展，從常用的液晶顯示屏（LCD）到有機發(fā)光顯示屏（OLED），用于生產電子屏幕的材料在不斷的更新?lián)Q代。
當前，一類名為量子點發(fā)光二極管（QLED）的全新顯示技術受到了研究人員和產業(yè)界的關注與青睞，這種屏幕擁有目前頂級的圖像呈現(xiàn)效果及性能。
量子點從實質上來講是一種特殊的半導體納米材料 , 它三個維度的尺寸都在 100nm 以下 , 外觀恰似一極小的點狀物 , 其內部電子的能量在三個維度上都是量子化的。通過對這種納米半導體材料施加一定的電場或光壓，它們便會發(fā)出特定頻率的光。
不同大小的量子點在紫外線下發(fā)出不同顏色的光
02
巨大潛力材料的致命缺陷
由于光電性能優(yōu)異，近些年來鉛基鹵族鈣鈦礦納米晶被認為是取代傳統(tǒng) OLED 電子屏幕、實現(xiàn)全彩顯示的最優(yōu)方案。
但目前，在實際的應用場景中，這類具有巨大潛力的材料依舊存在著一個致命的缺點：穩(wěn)定性差。具體表現(xiàn)為多態(tài)性、對極性溶劑的不穩(wěn)定性、相分離和對鉛離子浸出的敏感性。無論是氧氣、光照、熱處理還是極性溶劑，都很容易讓這種材料從光電性能良好的鈣鈦礦結構轉化為非鈣鈦礦結構。例如，在潮濕度較高的空氣中，鉛基鹵族鈣鈦礦納米晶的光電性能只能保持幾分鐘。
使用表面配體可能為其中一些問題提供解決方案，但同時也存在著問題——會引起一系列功能損失包括 LHP 表面配體的脫落、從而使相轉變，造成材料的降解。此外，這種材料在極性溶劑中穩(wěn)定性很差，并且其中的鉛容易泄漏、產生環(huán)境污染，造成安全隱患。
03
新復合材料保證結構穩(wěn)定
為了解決這個問題，研究團隊以一種全新的視角，開發(fā)了一種新的復合材料，通過液相煅燒方法和傳統(tǒng)球磨工藝將銫鉛碘鈣鈦礦納米晶包裹在多孔的金屬有機物骨架玻璃（MOF）中，形成高性能復合材料的工業(yè)粉末加工技術可以應用于化學上制造穩(wěn)定的光致發(fā)光復合玻璃。
" 不同于傳統(tǒng)鈣鈦礦量子點的表面配體策略，我們主要通過 MOF 與鈣鈦礦材料表面形成的化學鍵以及尺寸效應來提升表面活化能，從而使鈣鈦礦結構穩(wěn)定存在。" 這項研究的通訊作者之一，任職于昆士蘭大學的王連洲教授表示。此外，MOF 可以防止空氣中的水蒸氣滲入，從而提升了這個復合結構的長期穩(wěn)定性。
04
光電性能與機械性能，二者兼得
研究團隊評估了不同環(huán)境與操作環(huán)境中的復合材料。結果發(fā)現(xiàn)：在維持了鈣鈦礦納米晶極高的發(fā)光效率的同時，新型材料還明顯改善了傳統(tǒng)鈣鈦礦量子點存在的穩(wěn)定性差的缺陷。這種可加工的復合材料對無論是在水和有機溶劑中浸泡，還是暴露在熱、光、空氣和環(huán)境濕度下，都表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。
材料光致發(fā)光強度的變化，以及發(fā)光效果示意圖
王連洲教授指出：多個因素共同作用保證了材料穩(wěn)定、優(yōu)良的光電性能。首先，研究使用的鈣鈦礦材料自身具備很強的缺陷忍耐度，因此晶體生長過程中形成的缺陷對其發(fā)光性能影響較??；其次，玻璃充當 LHPs 的基質，通過界面相互作用有效穩(wěn)定非平衡鈣鈦礦相，這些相互作用還鈍化了 LHP 表面缺陷，提升熒光量子產量；此外，鈣鈦礦與 MOF 復合材料的界面上所形成的化學鍵，也在一定程度上阻止了鈣鈦礦材料的相變、避免了在極性溶劑或濕度較高環(huán)境中的降解。
除了優(yōu)良的光電性能，這種材料的機械性能同樣優(yōu)良。王連洲教授介紹稱，新型復合玻璃在微觀尺度上表現(xiàn)出了傳統(tǒng)無機玻璃材料所不具有的機械性能：" 由于其內部中空結構比例較高，該種玻璃材料可以實現(xiàn)微觀尺度的彈性，宏觀上就降低了在應力下斷裂的傾向。" 這正是這種材料制作的玻璃不容易碎裂的秘密。
實驗中證實了材料的高強度：研究人員通過納米壓痕測試，結果表明復合了鈣鈦礦納米晶的玻璃材料在楊氏模量及硬度方面都有所提升，進一步證實了復合材料界面優(yōu)秀的相容性，為未來繼續(xù)提高復合玻璃材料的機械性能提供了有力的理論支撐。
這項研究為我們展現(xiàn)了一種顯示屏領域的全新材料。伴隨著后續(xù)研究的推進與深入，或許這種擁有巨大應用潛力的材料會真正大規(guī)模量產、改變我們的生活。未來的某一天，我們使用的電視機、電腦，以及手機的屏幕，都將不再面臨摔碎的風險。
