天津理工大学：米级面板上可印刷的钙钛矿纳米立方块组装体

纳米粒子的性能及其组装体演生行为的获得往往需要与之匹配的制造与加工方法的升级和创新。光学、电子、信息、化工、能源、生物、传感和医疗等领域的高性能元器件的发展离不开高质量纳米粒子的精准制造与加工方法的精确操控。然而，该技术发展的操控精度超出了目前纳米粒子加工极限和理论极限。所以，实现纳米粒子结构单元从纳米尺度到宏观尺度的多层级原子有序性的精准加工是上述技术发展存在的重大挑战。因此，开发新型纳米粒子加工方法和发展多尺度精准操控的新技术对于材料加工技术开发具有极其重要的科学意义和产业价值。

针对上述挑战和问题，天津理工大学王铁教授领衔的科研团队通过印刷的方式，以CsPbBr3纳米立方块基本单元为模型，将自下而上的原子取向组装方法与自上而下光刻技术带来的空间位置精度优势相结合，发展了模板辅助的液滴裂分技术，解决了纳米粒子从原子到宏观尺度的加工难题。实现了包括纳米粒子、超晶格和宏观阵列在内的多尺度原子有序层级结构精准加工制造，并将尺度的操控跨越了10个数量级。该加工技术制备的宏观阵列内部的超晶格显示出一致的原子取向，因此命名为晶化超晶格阵列。

图1.纳米立方块及其超晶格的结构分析.

（1）作者了发现了挥发诱导自组装形成超晶格的原子定向的特性，这种超晶格呈现简单四方堆积结构。通过实时和原位GISAXS确认了该组装过程分为四个阶段：无定形堆积（Ⅰ），立方堆积（Ⅱ），过渡相堆积（Ⅲ）和四方堆积（Ⅳ）。

图2.四方堆积超晶格形成的不同阶段.

（2）CsPbBr3纳米粒子分散液可以通过点胶机在光刻图案化的基底上进行纳米粒子自组装为超晶格，针尖在xy平面上移动，重复吐出，将微米级阵列进一步拼接成米级面板。当基底上沟槽被溴离子功能化时，纳米立方块倾向于形成晶化超晶格阵列。沟槽的大小、形状和点胶机的注射压力不是影响超晶格阵列原子有序性的主要因素。

图3.超晶格z轴向上的晶化超晶格阵列.

（3）相比于无序的纳米粒子聚集体，制备的晶化超晶格阵列显示出5.2倍的亮度增强。这种亮度增强可归因于单轴耦合超晶格阵列的定向介电-天线效应和定向跃迁偶极子诱导的光子重分布。这种加工技术可以使得多种类型图案化制备成为可能。作者进一步制备了基于三原色的微型背光面板，确认了色域空间可以达到Rec. 2100标准的97.2%的色彩饱和度或者达到CIE 1976标准的100.4%的色彩饱和度。这些结果可归因于由纳米粒子、超晶格和宏观阵列的层级变换中产生的原子取向的一致性。

图4.由晶化超晶格阵列构造的微型背光显示面板.

该研究成果以“Printable assemblies of perovskite nanocubes on meter-scale panel”为题发表于SCIENCE子刊SCIENCE ADVANCES（DOI:10.1126/sciadv.add155）。该研究工作为多尺度有序体系的构筑与加工提供了新的思路，也为开发高效发光器件提供了新的物理模型。这种模板辅助的液体裂分技术可用于设计复杂的超完美组装系统，并由此获得的晶化超晶格阵列将有助于满足高亮度和多光子量子光源的需求，并为下一代发光器件的小型化、表面图案化、高偏振率、超高亮度和超宽色域的开发提供可能。本研究工作在王铁教授的专业指导下完成。

本研究工作得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的大力支持。

来源：天津理工大学

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1559