地球与环境 2022-01-18 07:39

当然,你可以用铰链连接两个屏幕,把手机称为“可折叠的”,但如果你能把它卷起来放进你的钱包呢?或者把它绕在手腕上当手表戴?

华盛顿大学圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering at Washington University in St. Louis)正在开发的数字显示技术的下一步将使这一设想成为现实。

首先是发光二极管(led)。然后是有机发光二极管(oled)。现在,普雷斯顿·m·格林电气与系统工程学院助理教授王川实验室的研究人员已经开发出一种新材料,它拥有这两种技术的最佳性能和一种制造它的新方法——使用喷墨打印机。

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这项研究发表在本月的《先进材料》杂志上。

有机发光二极管是由有机小分子或聚合物材料制成的,价格便宜,而且很灵活。“你可以弯曲或拉伸它们,但它们的性能相对较低,寿命较短,”王说。“无机发光二极管,如微型发光二极管,性能高,超亮,非常可靠,但不灵活,非常昂贵。”

“我们制造的是一种有机-无机化合物,”他说。“它两全其美。”

他们使用了一种被称为有机金属卤化物钙钛矿的特殊类型的晶体材料——尽管有一个新颖的扭曲。制造一层薄的液态钙钛矿的传统方法是,将钙钛矿滴在一个扁平的、旋转的基材上,就像一个旋转艺术玩具,这个过程被称为旋转涂层。随着基质旋转,液体向外扩散,最终覆盖在基质上一层薄层。

在那里,它可以被回收并制成钙钛矿发光二极管(peled)。

然而,就像旋转艺术一样,许多材料在这个过程中被浪费了——当基板以数千转/分的转速旋转时,一些滴下的钙钛矿飞溅并飞走了,不会粘在基板上。

“因为它是液态的,”王说,“我们想象可以用喷墨打印机”来代替旋转涂层。

喷墨制造可以节省材料,因为钙钛矿只能在需要的地方沉积,就像在一张纸上打印字母和数字一样精确;没有飞溅,更少浪费。这个过程也快得多,制造时间从5个多小时减少到不到25分钟。

使用喷墨打印方法的另一个好处是有可能重塑电子技术的未来:钙钛矿可以被打印到各种非常规的基材上,包括那些在旋转时不会产生稳定性的基材,比如橡胶。

“想象一下,有一种设备,一开始只有手机大小,但可以延伸到平板电脑大小,”王说。

然而,要想让显示器具有柔韧性,在橡胶上打印坚硬的发光二极管是做不到的。led本身需要灵活。钙钛矿不是。

第一作者赵君义(音译)是王实验室的博士生,他将无机钙钛矿晶体嵌入由聚合物粘合剂制成的有机聚合物基体中,从而解决了这个问题。这使得钙钛矿和peled本身具有弹性和可伸缩的性质。

两全其美。

一个灵活的PeLED在行动。(视频由Wang lab提供)

这个过程并不简单。在实验室里花了很长时间——和几个晚上——才把它弄对。王和赵都认为最大的障碍是确保不同的材料层不会混合。

因为PeLED的所有部分都是由液体制成的——钙钛矿层、两个电极和一个缓冲层——主要的问题是防止所有层混合。

led被构造成一个三明治状的结构,至少有一个发射层,一个阳极层和一个阴极层。额外的层,如电子和空穴传输层,有时也可以使用。赵必须保证钙钛矿层的安全,不能与其他任何层混合,就像用高光笔在刚写好的墨水上划记号一样,可能会把钙钛矿层弄脏。

他需要找到一种合适的聚合物,一种可以插入钙钛矿和其他层之间的聚合物,在不过多干扰PeLED性能的情况下保护钙钛矿。

“我们找到了最好的材料和最好的厚度来平衡设备的性能和保护,”赵说。在那之后,他继续印刷了第一批可伸缩的peled。

这些peled可能只是电子革命的第一步:墙壁可以提供照明,甚至可以显示每天的报纸。它们可以用来制作可穿戴设备,甚至是智能可穿戴设备,比如测量血氧的脉搏血氧仪。

最令人兴奋的是,能够廉价、快速地打印出有弹性、有弹性的peled可能会带来尚未设想的新技术。


圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering at Washington University in St. Louis)提倡独立探究和教育,强调卓越的科学、创新和无国界的合作。麦凯维工程学院拥有一流的研究和研究生课程,尤其是在生物医学工程、环境工程和计算领域,并且拥有全美最挑剔的本科课程之一。我们拥有140名全职教师,1387名本科生,1448名研究生和21000名在世校友,我们正在努力解决一些社会最大的挑战;培养学生在他们的职业生涯中成为领袖和创新;成为圣路易斯地区乃至其他地区经济发展的催化剂。