科學家推進平面顯示器和可穿戴技術的經濟可持續解決方案

由洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）領導的研究團隊開發了“超分子墨水”（supramolecular ink），這是一種用於OLED（有機發光二極體）顯示器或其他電子設備的新技術。這種墨水使用廉價、豐富的元素，而非昂貴且稀缺的金屬，從而能夠實現更具經濟性和環境可持續性的平面顯示屏和電子設備。

“通過用地球豐富的材料替代貴金屬，我們的超分子墨水技術將在OLED顯示器行業中帶來顯著變革，”主要研究者兼伯克利實驗室材料科學部高級科學家Peidong Yang表示，他還是加州大學伯克利分校的化學及材料科學與工程教授。“更令人興奮的是，這項技術還可以擴展到有機可打印薄膜的製造，用於可穿戴設備的生產以及發光藝術品和雕塑。”

這項技術的發展不僅有助於降低生產成本，還有助於減少生產過程中的環境影響，從而推動電子設備的可持續進步。隨著對平面顯示器和可穿戴技術需求的增加，該技術有潛力在未來成為行業的重要標準。

如果你擁有一部相對較新的智能手機或平面電視，則很有可能它配備了OLED顯示屏。OLED技術在顯示市場上迅速增長，因為它們比其他平面技術更輕、更薄、耗能更少，且畫質更佳。這是因為OLED顯示屏內含有能直接發光的微小有機分子，從而消除了液晶顯示器（LCD）中額外的背光層的需求。然而，OLED製造中可能包含一些稀有且昂貴的金屬，如鉑。

不過，伯克利實驗室團隊在《科學》期刊最近發表的一項研究中描述的新材料，可能使電子顯示製造商能夠採用更便宜的製造工藝。

這種新材料由含有鉬（Hf）和鋯（Zr）的粉末組成，這些粉末可以在室溫到約176華氏度（80攝氏度）的低溫下與溶液混合，形成半導體“墨水”。这种新材料不仅降低了製造成本，還有助於提高OLED器件的生產效率，可能為顯示技術的未來發展鋪平道路。

在這種墨水中，微小的分子“建築單元”結構能夠在溶液中自我組裝，這一過程被研究人員稱為超分子組裝（supramolecular assembly）。“我們的方法可以比作用樂高積木建造，”該論文的共同第一作者、加州大學伯克利分校材料科學與工程的博士候選人Cheng Zhu說。Zhu解釋說，這些超分子結構使材料能夠在低溫下實現穩定且高純度的合成。他是在伯克利實驗室材料科學部擔任研究助理以及在Peidong Yang小組中研究生時期開發了這種材料。

在加州大學伯克利分校的光譜實驗顯示，超分子墨水複合材料是高效的藍光和綠光發射器，這是該材料潛在用作能源高效OLED發光體的兩個指標，並且適用於電子顯示和3D打印。

隨後的光學實驗揭示，藍光和綠光發射的超分子墨水化合物展現出科學家所稱的接近於完美的量子效率。“這表明它們在發射過程中將幾乎所有吸收的光轉化為可見光的卓越能力，”Zhu解釋道。

為了展示該材料的顏色調整性和作為OLED發光體的發光性，研究人員使用這種複合墨水製作了一個薄膜顯示原型。在一個令人激動的結果中，他們發現該材料適合用於可編程電子顯示器。

“字母表電影是一個引人注目的例子，它展示了超分子墨水等發光薄膜在快速切換顯示器中的應用，”Zhu說。

在加州大學伯克利分校的額外實驗結果顯示，超分子墨水也與3D打印技術相容，可以用於設計裝飾性的OLED照明。

Zhu補充道，製造商也可以使用超分子墨水來製作可穿戴設備或高科技服裝，以在低光條件下發光以增加安全性，或顯示信息的可穿戴設備，這些設備通過超分子發光結構進行信息展示。

超分子墨水是Peidong Yang實驗室展示的新型可持續材料之一，這些材料有望促進成本效益高且能效良好的半導體製造。去年，Yang及其團隊報告了一種新的“多元素墨水”——第一種可在低溫或室溫下處理的“高熵”半導體。

憑藉其穩定性和較長的保質期，超分子墨水化合物還可以幫助推進離子卤化鉛鈣鈦礦的商業發展，這是一種薄膜太陽能材料，顯示行業已關注數十年。由於其在溶液中的低溫合成，離子卤化鉛鈣鈦礦可能使顯示器製造過程更加便宜。然而，高性能的卤化鉛鈣鈦礦包含對環境和公共健康有擔憂的元素鉛。相比之下，新型超分子墨水——屬於離子卤化鉀鈣鈦礦家族——提供了一種無鉛配方，卻不妨礙其性能。

在成功展示了超分子墨水在OLED薄膜和可3D打印電子設備中的潛力後，研究人員現在正在探索該材料的電致發光潛力。“這涉及到對我們材料如何使用電激發發光的專注和專門研究，”Zhu說。“這一步對於理解我們材料在製造高效發光設備方面的全部潛力至關重要。”

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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