太原理工大学,AFM , 受生物矿化中限域纳米生长启发的超柔性钙钛矿水凝胶
大家好，今天为大家分享来自太原理工大学赵敏教授、郝玉英教授团队与上海大学金旭东教授团队、和天津大学周凯歌教授团队近期在 Advanced Functional Materials 上合作发表研究论文钙钛矿水凝胶作为软光电器件领域颇具前景的材料，却面临稳定性差的难题。受仿生矿化中限域生长的启发，我们提出了一种冰限域策略，用于在水凝胶基质中原位合成钙钛矿纳米晶体，该材料展现出卓越的防水光致发光性能。此外，水凝胶基质中的限域水有助于形成核壳结构的CsPbBr₃@CsPb₂Br₅异质结，从而实现了半高全宽仅为18 nm的窄带光致发光，量子产率高达99.86%。这种坚固的CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶 (Pe-gel) 在保持发光性能的同时，可拉伸至原长的520%。凭借其优异的发光性能，我们基于该钙钛矿水凝胶成功构建了柔性发光二极管和X射线成像器件，在可穿戴光电器件中展现出卓越的成像分辨率。因此，这项工作为解决钙钛矿基材料的稳定性问题提供了有效策略，并为其在可穿戴显示设备中的应用开辟了新途径。关键词： 生物矿化、柔性发光二极管、水凝胶、钙钛矿纳米晶体、X射线成像
研究人员受生物矿化中限域生长启发，提出一种冰限域的方法，在纯水体系中原位合成CsPbBr₃@CsPb₂Br₅核壳钙钛矿水凝胶 (Pe-gel)。利用PVA/PVP双网络与冰晶的协同限域效应，有效控制钙钛矿纳米晶的结晶动力学，并诱导形成核壳异质结。所得钙钛矿水凝胶的光致发光量子产率高达99.86%，半高宽仅18 nm，拉伸断裂伸长率达520%，且在空气、高温及多种溶剂中均表现出优异稳定性。基于该凝胶构建的柔性LED和X射线成像器件分别展示了良好的绿光色纯度与8 lp/mm的空间分辨率。
1.材料制备及表征：
图1：CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶形成的示意图。图2：(a) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶的透射电子显微镜 (TEM) 图像；(b) 高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 图像；(c) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶的扫描电子显微镜-能谱 (SEM-EDS) 元素分布图；(d) 纯凝胶和 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的 X 射线衍射 (XRD) 图谱；(e) 纯凝胶和 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶的傅里叶变换红外光谱 (FTIR)；(f) 纯凝胶和 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶的 X 射线光电子能谱(XPS) 全谱；纯凝胶和 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶的高分辨 XPS 谱图：(g) O 1s, (h) C 1s, (i) Pb 4f 和 Br 3d。图3：(a) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶的光致发光 (PL) 和紫外-可见吸收光谱；(b) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶的时间分辨光致发光衰减光谱；(c) 与其他绿色荧光凝胶的半高宽 (FWHM) 和光致发光量子产率 (PLQY) 对比；(d) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的温度相关光致发光光谱；(e) 室温下 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的时间相关光致发光光谱；(f) 室温下 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶的紫外-可见吸收光谱；(g) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ PQDs 和 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ 钙钛矿水凝胶的低温相关光致发光光谱；(h) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ PQDs 和 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的光致发光光谱半高宽随温度变化曲线 (曲线为使用方程3的拟合结果)；(i) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅ PQDs 和 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的积分光致发光强度随倒数温度 (1/T) 的阿伦尼乌斯图 (曲线为使用方程4的拟合结果)。图4：(a) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶在不同形变下( 弯曲、卷绕和扭转) 的发光性能照片；(b) 不同拉伸长度下钙钛矿水凝胶的照片 (紫外光下，厚度：2 mm)；(c) 不同 PVA 含量下 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的应力-应变曲线；(d) 不同 PVA 含量下 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的杨氏模量；(e) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶(含 10 wt.% PVA) 的循环加载与恢复曲线；(f) 纯凝胶与 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的应力-应变曲线。图5：(a) 不同颜色钙钛矿水凝胶的光学照片；(b) 不同颜色钙钛矿水凝胶的归一化光致发光(PL) 光谱；(c) 不同颜色钙钛矿水凝胶的紫外-可见吸收光谱；(d) 基于 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的发光二极管 (LED) 在 3 至 3.6 V 下的电致发光(EL)光谱 (插图为 LED 器件的光学照片)；(e) 基于 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的 LED 的 J–L–V 曲线 (电流密度-亮度-电压曲线)；(f) 基于 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的 LED 器件的 CIE 1931 色度图；(g) X 射线成像系统示意图；(h) CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶在标准分辨率卡上的 X 射线成像 (插图为基于 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶采集的芯片 X 射线图像)；(i) BiGeO₄ 和 CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶的 X 射线吸收系数随光子能量的变化关系。
我们受生物矿化启发，开发了一种冰限域策略，在纯水中制备了高性能的CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶 (Pe-gel)。PVP中的C＝O基团与PVA中的O-H基团通过铅离子配位以及与卤素阴离子 (X⁻) 形成氢键，协同钝化了钙钛矿纳米 (PeNCs) 的表面缺陷。所制备的CsPbBr₃@CsPb₂Br₅钙钛矿水凝胶具有高达99.86%的光致发光量子产率 (PLQY)、18 nm的窄半高宽 (FWHM) 以及优异的力学性能。得益于其出色的荧光特性和低成本的加工性，我们成功展示了高性能LED器件和X射线成像。本研究为制备高质量的可穿戴光电器件提供了一种环境友好的方法。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adfm.75136
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