2024年初の3Dプリント「サイエンス」記事、3Dプリントは多色の発光構造を生成できる！

この投稿は Coco Bear によって 2024-1-16 22:12 に最後に編集されました。

2024年1月16日、カリフォルニア大学バークレー校の材料科学工学部、ローレンス・バークレー国立研究所の材料科学部門などの研究メンバーが、光ルミネセンスの分野で画期的な進歩を遂げ、3Dプリント技術の助けを借りて光ルミネセンス構造を準備しました。彼らの研究構造は、「ほぼ1のフォトルミネセンスを持つ青と緑のハロゲン化物ペロブスカイトの超分子アセンブリ」というタイトルでサイエンス誌に掲載されました。

背景 高いフォトルミネッセンス量子収率(PLQY) を備えた青色と緑色の発光は、固体照明とカラーディスプレイの研究の最前線にあります。 Si と Zn を共ドープした GaN は 90% の PLQY を示すことができますが、これらの共有結合半導体は、結晶構造の欠陥での急速な非放射再結合を防ぐために高い純度を必要とし、1000°C に近い温度での電子固体合成に依存しています。共有結合型半導体の代替として、イオン性ハロゲン化物ペロブスカイトは、高い光吸収係数、調整可能なバンドギャップ、高い欠陥許容度、効率的な光発光および電界発光により注目を集めています。（光ルミネセンスとは、物体が外部光源からエネルギーを得て励起し、発光する現象を指します）。

研究概要

●インクシステムは、ジクロロメタン（DCM）などの非極性有機溶媒中に粉末懸濁液を生成することによって作成され、超分子集合固体粉末の構造的完全性と優れた光学特性をさらに維持します。

●ポリスチレン（PS）ポリマーをインクに溶解して溶液処理性能をさらに向上させ、これらのインクを使用して急速な溶媒蒸発により薄膜を製造しました。

●デジタル制御の励起源と組み合わせることで、(18C6@K)2HfBr6/PS複合フィルムは、明るい色のコントラストと高速応答時間を備えたディスプレイとして使用できます。

●溶液処理可能なインクは、粉末をさまざまな青、緑、および 2 色の発光構造に 3 次元 (3D) 印刷することもできます。

研究内容 Antarctic Bear は、蓄光材料と 3D プリントの組み合わせに関する研究に重点を置いています。研究の残りの詳細は、記事の最後からダウンロードできます。

研究チームは超分子合成ルートを模索し、従来の高温合成法とは異なる低温合成法を用いて、ほぼ一定の発光量子収率を持つ青色と緑色の発光粉末（得られた発光材料）を調製した。発光量子収率はそれぞれ96.2％と82.7％に達した。

ステップ 1:これらの放出粉末をモノマー樹脂に均一に混合したら、高解像度の 3D 印刷技術を使用して処理できます。従来の 3D 印刷用樹脂では、紫外線の浸透深度を制御し、印刷解像度を制御するために、光吸収剤として染料が使用されることが多いです。ただし、この材料は光を吸収し、最終的な印刷部分に色を付ける可能性があります。

ステップ 2:青色および緑色の発光体との干渉を避けるため、研究者らは、印刷解像度を制御するために高濃度の光阻害剤を含むフォトモノマーポリ(エチレングリコール)ジアクリレート (PEGDA) を主成分とする光吸収剤を含まない樹脂を開発しました。重合された PEGDA 樹脂は、可視スペクトルで最小限の吸収を示し、355 ～ 425 nm の間に中程度の吸収ピークを示します。さらに、樹脂は 250 nm の UV 励起下で非常に低い発光強度を示しました。したがって、青と緑の範囲のエミッターの発光色は本質的に影響を受けません。

ステップ 3:撹拌と超音波処理の後、粉末は PEGDA 樹脂に均一に分散されました。研究者らは、マルチマテリアルデジタル光印刷アプローチを使用して、青色と緑色の発光体を複雑なマクロ構造とミクロ構造に 3D で組み立てました。 405 nm の構造化 UV 照射下では、樹脂は急速に固体 3D 構造に変化します。

△青と緑の2色3Dプリントを実現。 (A) マルチマテリアル 3D プリントプロセスの概略図。 (B と C) 白色光 (B) と 254 nm UV 励起下で 3D プリントされた 2 つの発光エッフェル塔。 (D) 254 nmの紫外線励起下で二色発光するエッフェル塔。 (E から H) それぞれ青と緑のエミッターを備えた、立方八面体、十四面体、メンガースポンジ構造など、さまざまな階層と形状を持つ等角八重奏トラスとねじれ八重奏トラス、またはそれらの組み合わせ。これらの印刷された構造は 254 nm で光励起されました。

図 D は、上部と下部のセグメントが青色で、中央領域が緑色のエッフェル塔のデザインを示しており、半分が青色に放射された 2 次層格子構造を実現しています。図 E は、どちらの側でも色の交差がなく、色の遷移の精度が高いことを示しています。ねじれ型（図 F）と円筒型（図 G）の二重放出オクテットトラス構造が印刷され、高い構造精度が達成されました。この研究では、立方八面体、十四面体、八面体トラス、青色発光体が埋め込まれたメンガースポンジ（図H）など、他の複雑なトポロジーも印刷し、感光性材料で実現できるさまざまな構造を実証しました。

この実験は、発光インクで印刷できることを証明しています。この論文の研究は、イオン放出粉末と 3D 印刷技術の統合の概念実証として役立ちます。 3D プリントされた発光構造の潜在的な用途は、洗練された室内アンビエント照明ソリューションからウェアラブルデバイスへのシームレスな統合まで、広範かつ進化しています。

研究の結論● この研究では、超高 PLQY を持つハロゲン化物ペロブスカイトの青色および緑色発光体を実現するための超分子アセンブリ戦略を実証しています。具体的には、(18C6@K)2HfBr6 は PLQY が 1 (96.2%) に近い青色発光を保証し、(18C6@K)2ZrCl4Br2 は PLQY が 82.7% の緑色発光を示します。超分子組み立てサンプルの発光は、強い電子-フォノン結合とマイクロ秒の PL 寿命を持つ STE 発光に由来します。

●超分子アプローチは溶液処理性能に非常に有望であり、(18C6@K)2 HfBr6 /PS-DCMインクは90%を超える高いPLQYを維持します。このインクはドロップキャスティングによって均一な薄膜を製造するために使用できます。

●(18C6@K)2HfBr6/PS複合材料は、PLQY > 80%の青色発光を示し、パターン形成、ディスプレイ、印刷用途に適しています。

●青色と緑色の発光を持つ粉末は、3D プリント技術との互換性が非常に高いです。

要約すると、ハライドペロブスカイト構成要素の超分子アセンブリアプローチは、超分子アセンブリ機能性材料の合成と特性評価におけるさらなる研究を促進し、この分野における大きな進歩の基礎を築きます。

オリジナルリンク: DOI: 10.1126/science.adi4196

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