蘇州納米所李清文、張其沖等在高穩(wěn)定性鹽殼金屬鹵化物鈣鈦礦用于光致發(fā)光和可穿戴傳感器研究方面取得進展
人們對電子設(shè)備的便攜性、多功能性和集成性的期待推動了可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展。最近，摩擦電納米發(fā)電機(TENGs)在能力收集、人機交互、醫(yī)療監(jiān)測和自供電傳感等方面引起了極大的關(guān)注。遺憾的是，這類交互設(shè)備大多由分隔的傳感器和顯示單元組成，因而總是需要一些笨重的設(shè)備或有線連接來將輸出信號轉(zhuǎn)換為人類易讀出的形式。色彩提供了一種簡單的傳輸信息的方法，其可調(diào)的顏色屬性有望與傳感器集成，為交互式信號的可視化開辟了新的途徑。金屬鹵化物鈣鈦礦具有特殊的光物理性質(zhì)，為未來的可穿戴電子產(chǎn)品提供了新的機會。然而，構(gòu)建自供能、應(yīng)變傳感和顯示等多功能特性一體化的光致發(fā)光傳感系統(tǒng)是一個巨大的挑戰(zhàn)。
中科院蘇州納米所輕量化實驗室李清文研究員與張其沖項目研究員等提出了一種高效窄光致發(fā)光金屬鹵化物固體的水合成策略，進一步將其應(yīng)用于自供電的可穿戴式光致發(fā)光傳感器。通過該策略，僅使用水作為溶劑就制備了鹽殼金屬鹵化物固體，其具有高效和狹窄的綠色排放，PLQY為87.3%。其中KBr鹽不僅提供了一個富溴的環(huán)境來鈍化鈣鈦礦的表面缺陷，而且還作為基質(zhì)來提高其穩(wěn)定性。該綠色環(huán)保的制備策略還可用于制備無色水性油墨和柔性光致發(fā)光薄膜。另外，該固態(tài)化合物可作為聚乙烯醇(PVA)的填料，用于TENG中的高性能正摩擦材料，所制備的TENG的輸出性能是原始TENG的2.3倍。研究者進一步構(gòu)建了電壓響應(yīng)范圍為0-100kPa、響應(yīng)時間為125ms的可穿戴光致發(fā)光傳感器，以檢測人體的各種運動。
圖1. 固態(tài)鹽殼金屬鹵化物的制備
通過簡單的水蒸發(fā)結(jié)晶策略即可制備高發(fā)射窄半高峰寬的金屬鹵化物固體，巧妙的引入溴化鉀鹽使得難溶于水的溴化鉛完全溶解在水中，不僅賦予了材料高量子產(chǎn)率，還提升了產(chǎn)物光和熱穩(wěn)定性。
圖2. 固態(tài)金屬鹵化物的穩(wěn)定性及其柔性應(yīng)用
得益于水蒸發(fā)結(jié)晶策略，前驅(qū)體水溶液可制備成水性墨水，通過與水性聚合物混合可以制備出柔性熒光薄膜，并且可以通過噴墨打印技術(shù)打印相關(guān)的圖案。
圖3. 固態(tài)金屬鹵化物在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用
作為概念驗證，研究者還構(gòu)建了電壓響應(yīng)范圍為0-100kPa，響應(yīng)時間為125ms的可穿戴光致發(fā)光壓力傳感器，未來有望構(gòu)建同時具有顯示-傳感一體化自供電集成器件，檢測人體的各種運動。
該研究工作為高發(fā)射的金屬鹵化物固體的合理設(shè)計提供了指導(dǎo)，并為擴展其在多功能可穿戴熒光傳感器中的應(yīng)用提供了參考。相關(guān)工作以Robust Salt-Shelled Metal Halide for Highly Efficient Photoluminescence and Wearable Real-Time Human Motion Perception為題發(fā)表于Nano Energy上，本文的共同第一作者是中科院蘇州納米所和華東理工大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生陳龍、上海交通大學博士生賀夢，通訊作者是華東理工大學的袁雙龍副教授，新加坡南洋理工大學魏磊副教授，中科院蘇州納米所的張其沖項目研究員和李清文研究員。該工作獲得了中科院“率先行動”引才計劃和江蘇省青年基金項目的資助。
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