▎藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)編輯

　　一次無意的手滑，手機(jī)屏幕可能就會(huì)摔出裂痕，影響使用體驗(yàn)和設(shè)備的使用壽命……當(dāng)你看著手機(jī)屏幕上的裂痕，有沒有產(chǎn)生過這樣的想法：如果有一種很難摔壞的屏幕材料，那該有多好！

　　就在最近，一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究讓我們離夢(mèng)想更近一步。由澳大利亞昆士蘭大學(xué)領(lǐng)銜的國際合作團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種全新的復(fù)合材料，該材料有望制造出更穩(wěn)定、不容易斷裂并且光電性能優(yōu)越的下一代電子屏幕。

　　從傳統(tǒng)的液晶屏幕到有機(jī)發(fā)光顯示屏（OLED），用于制造電子屏幕的材料在不斷升級(jí)。現(xiàn)在，一類名為量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）的全新顯示技術(shù)受到了研究人員和產(chǎn)業(yè)界的青睞，這種屏幕擁有目前頂級(jí)的圖像呈現(xiàn)效果及性能。

　　量子點(diǎn)通常指的是尺寸小于20納米，且具有量子限域效應(yīng)的半導(dǎo)體納米晶體，它能在光照或電場(chǎng)激發(fā)下，釋放出穩(wěn)定、顏色可調(diào)的熒光，從而實(shí)現(xiàn)屏幕顯示。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(rèn)為是取代傳統(tǒng)OLED電子屏幕、實(shí)現(xiàn)全彩顯示的潛在方案。

　　但目前，這類具有巨大潛力的材料在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，依然存在一個(gè)致命缺陷：不穩(wěn)定。無論是光照、熱處理、氧氣還是空氣中的水蒸氣，都很容易讓這種材料從光電性能良好的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。例如，在比較潮濕的空氣中，鉛基鹵族鈣鈦礦納米晶的性能只能維持?jǐn)?shù)分鐘。

　　對(duì)此，一種解決方案是使用表面配體，使得材料在一定濕度范圍的空氣中保持穩(wěn)定，但這也并非長久之計(jì)——表面配體容易脫落，導(dǎo)致相轉(zhuǎn)變和材料降解。此外，這種材料在極性溶劑中也不穩(wěn)定，并且其中的鉛容易泄漏、產(chǎn)生環(huán)境污染和安全隱患。

　　為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種全新的策略：他們通過傳統(tǒng)球磨工藝和液相煅燒方法，將銫鉛碘鈣鈦礦納米晶包裹在多孔的金屬有機(jī)物骨架玻璃（MOF）中，形成穩(wěn)定的光致發(fā)光復(fù)合玻璃。

　　“不同于傳統(tǒng)鈣鈦礦量子點(diǎn)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(xué)鍵以及尺寸效應(yīng)來提升表面活化能，從而使鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在。“這項(xiàng)研究的通訊作者之一，任職于昆士蘭大學(xué)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(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。

　　研究團(tuán)隊(duì)接下來的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，新型材料在保持了鈣鈦礦納米晶極高的發(fā)光效率的同時(shí)，還明顯改進(jìn)了傳統(tǒng)鈣鈦礦量子點(diǎn)存在的穩(wěn)定性缺陷。無論是浸泡在水中或有機(jī)溶劑里，還是暴露在高溫、光照和潮濕的環(huán)境中時(shí)，這種新型材料都能維持足夠的穩(wěn)定性。例如，該材料在水中浸泡1萬小時(shí)之后，其光致發(fā)光的強(qiáng)度也只下降了不到20%。此外，鉛能在這種材料中自我封存、避免泄漏，確保了材料的安全性。

　　對(duì)于材料穩(wěn)定、優(yōu)良的光電性能，王連洲教授指出，多個(gè)因素共同發(fā)揮了作用：此次使用的鈣鈦礦材料具有很強(qiáng)的缺陷忍耐度，因此晶體生長過程中形成的缺陷對(duì)其發(fā)光性能影響較小；MOF表面的配體可以鈍化鈣鈦礦表面的缺陷，起到提升熒光量子產(chǎn)率的作用；此外，鈣鈦礦與MOF復(fù)合材料的界面上所形成的化學(xué)鍵，也在一定程度上阻礙了鈣鈦礦材料的相變及在濕度較高或極性溶劑條件下的降解。

　　除了優(yōu)良的光電性能，這種材料的機(jī)械性能同樣優(yōu)良。王連洲教授介紹稱，新型復(fù)合玻璃在微觀尺度上表現(xiàn)出了傳統(tǒng)無機(jī)玻璃材料不具有的機(jī)械性能：“由于其內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)比例較高，該種玻璃材料可以實(shí)現(xiàn)微觀尺度的彈性，宏觀上就降低了在應(yīng)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。

　　這一點(diǎn)也在測(cè)試中得到了初步證實(shí)：研究人員通過納米壓痕測(cè)試表明，復(fù)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(jìn)一步證實(shí)了復(fù)合材料界面優(yōu)秀的相容性，為未來繼續(xù)提高復(fù)合玻璃材料的機(jī)械性能提供了有力的理論支撐。

　　這項(xiàng)研究為我們展示了一種有著光明前景的全新材料。隨著后續(xù)研究的深入，這種擁有巨大應(yīng)用潛力的材料或?qū)⒄嬲M(jìn)入市場(chǎng)、改變我們的生活。或許未來的某一天，你用到的電視機(jī)、電腦，以及耐摔的手機(jī)的屏幕，將離不開這種創(chuàng)新性的玻璃合成思路。

　　這篇標(biāo)題為Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses的論文發(fā)表于《科學(xué)》雜志，昆士蘭大學(xué)的王連洲教授、侯經(jīng)緯博士與英國利茲大學(xué)的Sean M。 Collins博士、劍橋大學(xué)助理教授Thomas D。 Bennett為共同通訊作者，王連洲團(tuán)隊(duì)的侯經(jīng)緯博士和陳鵬博士分別為論文第一作者和第二作者。

　　題圖來源：123RF

　　參考資料：

　　[1] Jingwei Hou et al。 Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses。 Science （2021）。 DOI： 10.1126/science.abf4460

　　[2] UQ research unlocks the technology to produce unbreakable screens。 Retrieved Oct 29， 2021 from https：//www.uq.edu.au/news/article/2021/10/uq-research-unlocks-technology-produce-unbreakable-screens