一次無意的手滑，手機屏幕可能就會摔出裂痕，影響使用體驗和設備的使用壽命……當你看着手機屏幕上的裂痕，有沒有產生過這樣的想法：如果有一種很難摔壞的屏幕材料，那該有多好！就在最近，一項發表於《科學》雜誌的研究讓我們離夢想更近一步。由澳大利亞昆士蘭大學領銜的國際合作團隊開發出一種全新的複合材料，該材料有望製造出更穩定、不容易斷裂並且光電性能優越的下一代電子屏幕。
從傳統的液晶屏幕到有機發光顯示屏（OLED），用於製造電子屏幕的材料在不斷升級。現在，一類名為量子點發光二極管（QLED）的全新顯示技術受到了研究人員和產業界的青睞，這種屏幕擁有目前頂級的圖像呈現效果及性能。
量子點通常指的是尺寸小於20納米，且具有量子限域效應的半導體納米晶體，它能在光照或電場激發下，釋放出穩定、顏色可調的熒光，從而實現屏幕顯示。由於光電性能優異，近些年來鉛基鹵族鈣鈦礦納米晶被認為是取代傳統OLED電子屏幕、實現全彩顯示的潛在方案。
但目前，這類具有巨大潛力的材料在實際應用場景中，依然存在一個致命缺陷：不穩定。無論是光照、熱處理、氧氣還是空氣中的水蒸氣，都很容易讓這種材料從光電性能良好的鈣鈦礦結構轉化為非鈣鈦礦結構。例如，在比較潮濕的空氣中，鉛基鹵族鈣鈦礦納米晶的性能只能維持數分鐘。
對此，一種解決方案是使用表面配體，使得材料在一定濕度範圍的空氣中保持穩定，但這也並非長久之計——表面配體容易脫落，導致相轉變和材料降解。此外，這種材料在極性溶劑中也不穩定，並且其中的鉛容易泄漏、產生環境污染和安全隱患。
為了解決這個問題，研究團隊採用了一種全新的策略：他們通過傳統球磨工藝和液相煅燒方法，將銫鉛碘鈣鈦礦納米晶包裹在多孔的金屬有機物骨架玻璃（MOF）中，形成穩定的光致發光複合玻璃。
“不同於傳統鈣鈦礦量子點的表面配體策略，我們主要通過MOF與鈣鈦礦材料表面形成的化學鍵以及尺寸效應來提升表面活化能，從而使鈣鈦礦結構穩定存在。“這項研究的通訊作者之一，任職於昆士蘭大學的王連洲教授表示。此外，MOF可以防止空氣中的水蒸氣滲入，從而提升了這個複合結構的長期穩定性。
研究團隊接下來的檢測發現，新型材料在保持了鈣鈦礦納米晶極高的發光效率的同時，還明顯改進了傳統鈣鈦礦量子點存在的穩定性缺陷。無論是浸泡在水中或有機溶劑里，還是暴露在高溫、光照和潮濕的環境中時，這種新型材料都能維持足夠的穩定性。例如，該材料在水中浸泡1萬小時之後，其光致發光的強度也只下降了不到20%。此外，鉛能在這種材料中自我封存、避免泄漏，確保了材料的安全性。
對於材料穩定、優良的光電性能，王連洲教授指出，多個因素共同發揮了作用：此次使用的鈣鈦礦材料具有很強的缺陷忍耐度，因此晶體生長過程中形成的缺陷對其發光性能影響較小；MOF表面的配體可以鈍化鈣鈦礦表面的缺陷，起到提升熒光量子產率的作用；此外，鈣鈦礦與MOF複合材料的界面上所形成的化學鍵，也在一定程度上阻礙了鈣鈦礦材料的相變及在濕度較高或極性溶劑條件下的降解。
除了優良的光電性能，這種材料的機械性能同樣優良。王連洲教授介紹稱，新型複合玻璃在微觀尺度上表現出了傳統無機玻璃材料不具有的機械性能：“由於其內部中空結構比例較高，該種玻璃材料可以實現微觀尺度的彈性，宏觀上就降低了在應力下斷裂的傾向。“這正是這種材料製作的玻璃不容易碎裂的秘密。
這一點也在測試中得到了初步證實：研究人員通過納米壓痕測試表明，複合了鈣鈦礦納米晶的玻璃材料在楊氏模量及硬度方面都有所提升，進一步證實了複合材料界面優秀的相容性，為未來繼續提高複合玻璃材料的機械性能提供了有力的理論支撐。
這項研究為我們展示了一種有着光明前景的全新材料。隨着後續研究的深入，這種擁有巨大應用潛力的材料或將真正進入市場、改變我們的生活。或許未來的某一天，你用到的電視機、電腦，以及耐摔的手機的屏幕，將離不開這種創新性的玻璃合成思路。
這篇標題為Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses的論文發表於《科學》雜誌，昆士蘭大學的王連洲教授、侯經緯博士與英國利茲大學的Sean M。 Collins博士、劍橋大學助理教授Thomas D。 Bennett為共同通訊作者，王連洲團隊的侯經緯博士和陳鵬博士分別為論文第一作者和第二作者。
參考資料：
[1] Jingwei Hou et al。 Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses。 Science （2021）。 DOI： 10.1126/science.abf4460
[2] UQ research unlocks the technology to produce unbreakable screens。 Retrieved Oct 29， 2021 from https：//www.uq.edu.au/news/article/2021/10/uq-research-unlocks-technology-produce-unbreakable-screens