原标题:磁性/等离子激元复合纳米材料研究新进展,或可用于信息加密及传感

具有高度各向异性光电子性质的一维纳米材料可用于能量采集、柔性电子和生物医学成像设备。在材料科学和纳米技术中,三维图形方法可以用来精确地组装纳米线,使其具有局部控制的组成和方向,从而实现新的光电子器件设计。在一份新报告中,周南佳和哈佛大学、威斯生物激发工程研究所、劳伦斯伯克利国家实验室和卡弗里能源纳米科学研究所的跨学科研究团队开发了一种3d打印纳米复合墨水。

具有高度各向异性光电子性质的一维纳米材料可用于能量采集、柔性电子和生物医学成像设备。在材料科学和纳米技术中,三维图形方法可以用来精确地组装纳米线,使其具有局部控制的组成和方向,从而实现新的光电子器件设计。在一份新报告中,周南佳和哈佛大学、威斯生物激发工程研究所、劳伦斯伯克利国家实验室和卡弗里能源纳米科学研究所的跨学科研究团队开发了一种3d打印纳米复合墨水。

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2018年9月2日,美国加州大学河滨分校的殷亚东教授课题组研制出了一种棒状的各向异性的核壳型复合纳米粒子,以磁性纳米棒为核,外面包覆金壳作为等离子激元层,通过使用外部磁场操纵纳米粒子在溶液中的取向,实现了对其光学性质的快速的动态控制。这项研究以“用于信息加密及传感磁性/等离子激元复合纳米材料”(Anisotropically
Shaped Magnetic/Plasmonic Nanocomposites for Information Encryption and
Magnetic-Field-Direction Sensing)为题,发表在《Research》(Research.
2018, DOI: 10.1155/2018/7527825)上。

钙钛矿纳米线-嵌段共聚物超分子纳米复合材料,由发光的胶体铯铅钙钛矿(CsPbX3,其中X=
Cl、Br
I)组成,将明亮的纳米线悬浮在聚苯乙烯-聚苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物基体中,并使用程序打印路径定义了纳米线的对齐方式。这位科学家制造了具有高度偏振吸收和发射特性的光学纳米复合材料。为了突出这项技术的通用性,生产了几种设备,包括光学存储、加密、传感和全彩色显示器,这项研究现在发表在《科学进展》上。

钙钛矿纳米线-嵌段共聚物超分子纳米复合材料,由发光的胶体铯铅钙钛矿(CsPbX3,其中X=
Cl、Br
I)组成,将明亮的纳米线悬浮在聚苯乙烯-聚苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物基体中,并使用程序打印路径定义了纳米线的对齐方式。这位科学家制造了具有高度偏振吸收和发射特性的光学纳米复合材料。为了突出这项技术的通用性,生产了几种设备,包括光学存储、加密、传感和全彩色显示器,这项研究现在发表在《科学进展》上。

研究背景

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随着功能材料研究的不断深入和发展,具有多个激发模式,形状各向异性的等离子激元纳米材料的研究热度持续上涨。如果能实现对各向异性的等离子激元纳米结构取向的控制,就能够选择性地激发其不同的模式,并且可以做到对材料光学性质的动态调制,最终可用以设计包括防伪标签、智能材料、及传感器等在内的各种功能器件。在各种不同的物理和化学调控手段中,外加磁场调控具有非接触、快速、以及高灵敏度的独特优势。

半导体纳米线独特的各向异性光电子性质是由量子效应和介电效应引起,在电子和光子学领域有着广泛的应用。通过将一维纳米材料精确地刻划成平面和三维结构,可以开辟组装光电子器件的新途径。与目前报道的许多类型半导体线相比,具有钙钛矿晶体结构的铯卤化铅纳米线在光电子应用方面具有许多优势。与传统具有核-壳结构的胶体半导体纳米晶相比,卤化铅钙钛矿纳米晶具有超亮的特性,并且在没有封装壳的情况下表现出近乎统一的量子产量。

半导体纳米线独特的各向异性光电子性质是由量子效应和介电效应引起,在电子和光子学领域有着广泛的应用。通过将一维纳米材料精确地刻划成平面和三维结构,可以开辟组装光电子器件的新途径。与目前报道的许多类型半导体线相比,具有钙钛矿晶体结构的铯卤化铅纳米线在光电子应用方面具有许多优势。与传统具有核-壳结构的胶体半导体纳米晶相比,卤化铅钙钛矿纳米晶具有超亮的特性,并且在没有封装壳的情况下表现出近乎统一的量子产量。

研究进展

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美国加州大学河滨分校的殷亚东教授课题组研制出了一种棒状的各向异性的核壳型复合纳米粒子,该材料以磁性纳米棒为核,外面包覆金壳作为等离子激元层,通过使用外部磁场操纵纳米粒子在溶液中的取向,实现了对其光学性质的快速的动态控制。

材料科学家可以修改钙钛矿的卤化物成分和带隙,在整个可见光谱范围内形成明亮、可调的发射。钙钛矿纳米线具有独特的材料性能和高量子产率,在液晶显示背光、光谱分裂、偏振光探测器和光泵浦激光器等领域具有潜在应用前景。研究人员已经探索了几种平面和三维图形化方法,包括基于挤压的3d打印通过直接墨水书写,形成由纤维素纤维组成形状的结构,并排列在水凝胶基质。

材料科学家可以修改钙钛矿的卤化物成分和带隙,在整个可见光谱范围内形成明亮、可调的发射。钙钛矿纳米线具有独特的材料性能和高量子产率,在液晶显示背光、光谱分裂、偏振光探测器和光泵浦激光器等领域具有潜在应用前景。研究人员已经探索了几种平面和三维图形化方法,包括基于挤压的3d打印通过直接墨水书写,形成由纤维素纤维组成形状的结构,并排列在水凝胶基质。

作者通过对棒状结构长径比的控制,将等离子激发波长调制到肉眼不可见的近红外波段。在近红外光电耦合系统中,具有不同消光性质的纳米复合材料样品能够产生不同的电信号,从而实现了光电磁的耦合。当将不同取向的复合材料固定在聚合物膜中时,利用特别取向的线性偏振光源可读取出肉眼不可见的隐藏信息,因而该材料可以作为信息加密元件来实现防伪等功能。

然而,DIW在光子器件图形功能结构中的一般应用仍有待探索,在本研究中设计、打印并表征了由钙钛矿纳米线填充嵌段共聚物矩阵组成的偏振光学结构。为此开发了一种纳米复合墨水,其钙钛矿纳米线束嵌入圆柱形微相聚苯乙烯-聚苯乙烯嵌段共聚物基体中。使用该方法期望其他各向异性材料,包括金属、半导体和嵌段共聚物,以及介电纳米线也能以类似的编程方式形成图案。

然而,DIW在光子器件图形功能结构中的一般应用仍有待探索,在本研究中设计、打印并表征了由钙钛矿纳米线填充嵌段共聚物矩阵组成的偏振光学结构。为此开发了一种纳米复合墨水,其钙钛矿纳米线束嵌入圆柱形微相聚苯乙烯-聚苯乙烯嵌段共聚物基体中。使用该方法期望其他各向异性材料,包括金属、半导体和嵌段共聚物,以及介电纳米线也能以类似的编程方式形成图案。

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科学家们通过改变SIS浓度,形成了由纳米线组成的不同油墨,以发展直接墨水书写所需的剪切减薄行为和粘弹性响应。通过透射电镜和小角x射线散射测量,揭示了SIS嵌段共聚物丝的有序六边形微区,并揭示了打印的顺式cspbbr3纳米复合材料沿打印方向高度排列。这种模式方法允许可编程纳米线方向在印刷光学复合材料,以影响偏振和角发射。在直接墨水书写过程中,使用MatLab、Slic3r和CIMCO生成的g代码生成打印路径,并使用玻璃喷嘴在玻璃coverslips上形成纳米复合结构。

使用不同线性偏振光制造出的聚合物膜的两种解密方案

科学家们通过改变SIS浓度,形成了由纳米线组成的不同油墨,以发展直接墨水书写所需的剪切减薄行为和粘弹性响应。通过透射电镜和小角x射线散射测量,揭示了SIS嵌段共聚物丝的有序六边形微区,并揭示了打印的顺式cspbbr3纳米复合材料沿打印方向高度排列。这种模式方法允许可编程纳米线方向在印刷光学复合材料,以影响偏振和角发射。在直接墨水书写过程中,使用MatLab、Slic3r和CIMCO生成的g代码生成打印路径,并使用玻璃喷嘴在玻璃coverslips上形成纳米复合结构。

展示了数字程序偏振各向异性在三维打印纳米复合材料中的应用,研究人员首先设计一个3-bit区域的灰度图像的像素(200
x
200µm)。利用这项技术,科学家们实现了先进的图形结构,作为光存储器,用于写入一次读取多次的数据存储设备。该打印结构可以通过打印多层结构,将不同的光学信息存储在每一层,从而实现加密存储器的安全加密。为了证明原理,将字母“L-I-G-H-T”打造成一个五层的装置,在这个装置中,从不同的高度观察每个字母。

另外当将复合材料分散在溶液中时,由于棒状粒子取向反映了外磁场方向,而其取向又可通过光学方法非常方便地检测出来,因而这种材料又可用于制备新型传感器来检测磁场方向。

展示了数字程序偏振各向异性在三维打印纳米复合材料中的应用,研究人员首先设计一个3-bit区域的灰度图像的像素(200
x
200µm)。利用这项技术,科学家们实现了先进的图形结构,作为光存储器,用于写入一次读取多次的数据存储设备。该打印结构可以通过打印多层结构,将不同的光学信息存储在每一层,从而实现加密存储器的安全加密。为了证明原理,将字母“L-I-G-H-T”打造成一个五层的装置,在这个装置中,从不同的高度观察每个字母。

以随机的方向打印字母“H”和“I”,并在适当的角度使用偏振器选择性地观察透明矩阵中的每个字母。此外,科学家们还展示了通过拉伸材料来加密发射模式的可能性,例如字母h。设想了在类似皮肤材料排列中创造动态伪装的可能性,在这种材料排列中,不同光学图案在机械拉伸中出现和消失。此后将这一概念扩展到模拟广泛用于混色的RGB量子点。为此,研究人员利用阴离子交换反应获得了由红色和蓝色纳米线组成的卤化物钙钛矿。

未来展望

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此类磁性/等离子激元纳米复合材料可以用于设计小型化和集成化的功能器件,不仅能为其他科学领域提供新型的材料和工具,在实际应用中也有巨大潜力,例如实现精确磁敏控制和测量传感,虚拟现实数据采集的磁场映射,以及作为磁光逻辑门用于光学计算等。

以随机的方向打印字母“H”和“I”,并在适当的角度使用偏振器选择性地观察透明矩阵中的每个字母。此外,科学家们还展示了通过拉伸材料来加密发射模式的可能性,例如字母h。设想了在类似皮肤材料排列中创造动态伪装的可能性,在这种材料排列中,不同光学图案在机械拉伸中出现和消失。此后将这一概念扩展到模拟广泛用于混色的RGB量子点。为此,研究人员利用阴离子交换反应获得了由红色和蓝色纳米线组成的卤化物钙钛矿。

并使用多材料3d打印创建了可调谐的多路彩色显示器。虽然钙钛矿纳米线还不是最适合作为显示应用的材料,但这项研究强调了通过数字组装对纳米线的组成和对齐进行可编程控制的能力。在CIE
(commission on
lighting)色度图中展示了多路复用RGB阵列的可调光谱响应及其相应的颜色范围,展示了印刷显示器为实现颜色可调而提供的简单设计。与依赖于传统量子点彩色滤光片的液晶显示器不同,本研究中的印刷薄膜使用直接偏振光子降频器,也称为“有源”彩色滤光片。

《Research》作为《Science》自1880年创建以来第一本合作期刊,通过《Science》的高影响力国际化传播平台和丰富的国际化高端学术资源,正在快速提高期刊的国际知名度和影响力,刊登内容主要集中在:人工智能与信息科学/生物学与生命科学/能源研究/环境科学/新兴材料研究/机械/科学与工程/微纳米科学/机器人与先进制造领域。

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欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿,关注和使用期刊的出版内容。

并使用多材料3d打印创建了可调谐的多路彩色显示器。虽然钙钛矿纳米线还不是最适合作为显示应用的材料,但这项研究强调了通过数字组装对纳米线的组成和对齐进行可编程控制的能力。在CIE
(commission on
lighting)色度图中展示了多路复用RGB阵列的可调光谱响应及其相应的颜色范围,展示了印刷显示器为实现颜色可调而提供的简单设计。与依赖于传统量子点彩色滤光片的液晶显示器不同,本研究中的印刷薄膜使用直接偏振光子降频器,也称为“有源”彩色滤光片。

科学,研究人员打算改进纳米线的合成和打印,以实现更高的显示应用效率,通过这种方式,证明了由钙钛矿纳米线填充嵌段共聚物基质组成的直接书写纳米复合墨水,可以在许多设计中对光电器件进行图案设计。对纳米线的组成和排列进行了编程,从而为信息存储、加密、机械光学传感和光学显示器等领域的应用创造了光学纳米复合材料。这项新发现将为利用软聚合物基质包裹的各向异性构件快速设计和制造功能器件提供一条途径。

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研究人员打算改进纳米线的合成和打印,以实现更高的显示应用效率,通过这种方式,证明了由钙钛矿纳米线填充嵌段共聚物基质组成的直接书写纳米复合墨水,可以在许多设计中对光电器件进行图案设计。对纳米线的组成和排列进行了编程,从而为信息存储、加密、机械光学传感和光学显示器等领域的应用创造了光学纳米复合材料。这项新发现将为利用软聚合物基质包裹的各向异性构件快速设计和制造功能器件提供一条途径。

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参考期刊《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aav8141

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