数字岩心及3d打印（香港大学3D打印钙钛矿纳米级）

同时获得超高分辨率和高亮度是显示行业的夙愿。然而在纳米尺度实现高亮度，高均匀度仍然是一个长期存在的挑战。

近日，香港大学 Ji Tae Kim 教授课题组提出了钙钛矿彩色像素的纳米级3D打印，其提供了像素密度 > 19,500 ppi的潜力。同时，垂直方向的像素按需控制可实现：（1）亮度的数十倍增强以及高均匀度显示，（2）数据加密于垂直像素以进行多级防伪。相关工作以“Three-Dimensional Perovskite Nanopixels for Ultrahigh-Resolution Color Displays and Multilevel Anticounterfeiting” 为题发表在顶级学术期刊 Nano Letters。陈模军博士为论文第一作者。

此3D打印技术主要基于纳米针头引导的飞升弯液面结晶。如图1所示，注有钙钛矿溶液的纳米针头与基底接触浸润，通过溶液的迅速挥发从而引起过饱和结晶，形成钙钛矿纳米结构。针头的持续自由引导形成均匀的3D钙钛矿纳米结构。此3D打印技术适用于不同的钙钛矿材料，从而可形成彩色钙钛矿纳米像素。

图 1. 钙钛矿纳米像素的3D打印。（a）钙钛矿 3D 打印弯液面引导结晶过程示意图。(b)实时侧视光学图。(c) 由 CH3NH3PbI3（R；左）、CH3NH3PbBr3（G；中）和 CH3NH3PbCl3（B；右）纳米柱组成的钙钛矿 RGB 三像素FE-SEM图像。(d-g) 相应的EDX显示了三像素的化学成分。(h) RGB 三像素阵列的侧视光学图像。(i)钙钛矿纳米像素阵列 FE-SEM 图像。(j) 纳米像素直径和高度统计数据。

纳米像素垂直方向的改变可对发光强度进行按需控制，如图2所示。(a-d) 为CH3NH3PbI3 三维纳米像素（红色）研究结果。随着像素高度的增加，发光强度也持续增加直到饱和点。与传统薄膜结构相比，三维像素的发光强度可提高数十倍，用于高亮度的显示。同时，饱和亮度区间可适用于高均匀强度的显示。研究表明，像素高度的增加并没有导致像素水平尺寸的增加，从而提供了高亮度，高集成度的解决方案。相同的研究结果也适用于CH3NH3PbBr3 三维纳米像素（绿色），CH3NH3PbCl3 三维纳米像素（蓝色）。

图 2. 像素高度、发光亮度以及像素尺寸。(a-d) CH3NH3PbI3 三维纳米像素（红色），高度控制为 1.5、2.1、3.3、4.1、4.8、6.3、7.7 和 8.7 µm。(a) 侧视光学图。(b) 底视光致发光图像（顶部）及其相应的强度分布（底部）。(c) 发光强度与像素高度，(d) 像素尺寸与像素高度。(e-h) CH3NH3PbBr3（绿色）纳米像素及对应于（a-d）的定量分析。(i-l) CH3NH3PbCl3（蓝色）纳米像素及对应于（a-d）的定量分析。(m) 饱和高度与发射波长及其与景深 (DOF) 的相关性。

此三维彩色纳米像素可用于纳米显示器。如图3所示，“A”形状的绿色饱和三维像素展示了均匀的发光强度 （~4%偏差），同时可保持~ 1.3 µm 的水平像素间距。此彩色饱和三维像素可用于不同图案的显示，如“笑脸”以及“LOVE”形状。机械性能以及与基底粘性的测试进一步表明此三维纳米像素具有柔性显示器件的潜力。

图 3. 高亮度纳米像素彩色显示屏。(a-c) 3D 打印的“A”形图。(a) 45° 倾斜视角 FE-SEM 图像显示“A”形矩阵，其由垂直 CH3NH3PbBr3 纳米像素（绿色）组成。(b) 相应的底视图 PL 图像。(c) 纳米像素高度和亮度的定量分布。(d-f) 双色纳米像素的底视图 PL 图像（顶部）和相应的强度分布（底部）。(g-j) 3D 打印彩色显示图。（g）“笑脸”纳米像素矩阵以及（h）相应的 PL 图像。(i) “LOVE”的纳米像素矩阵以及 (j) 对应的 PL 图像。

此三维彩色纳米像素可进一步应用于多级防伪，如图4所示。除了其颜色，纳米尺寸的初级二维防伪，三维像素的高度可提供信息的进一步加密。如图4f,k所示两种不同设计的三维码，由于其三维像素均达到饱和，所以展示了均匀的二维PL图像，提供了初级的二维码。然而在共聚焦扫描显微镜下，两种不同三维像素阵列展示了不同的高度信息，如果4i,n 所示，提供了进一步加密的三维码。

研究人员期望此 3D 打印技术能够制造高性能、定制的纳米显示器。

图 4. 多级防伪应用。(a-e) 双色数据矩阵代码。（a）由红色（R）和绿色（G）3D钙钛矿纳米像素组成的双色代码的底视图PL图像。(b) 使用 R 带通滤波器可视化的 R 代码的 PL 图像。(c) 对应的二进制信息矩阵。(d) 使用 G 带通滤波器可视化的 G 代码的 PL 图像。(e) 对应的二进制信息矩阵。(f-j) 代码 1：2 位、8 × 8 3D 矩阵代码，由具有四种不同高度的 G 钙钛矿纳米像素组成。(f) 防伪设计图， (g) 3D 打印矩阵码 1 的PL 图像。(h) 相应的二进制信息。(i) 3D 打印代码通过 3D 共焦 PL 成像解密。(j) 解密的 3D 信息。（k-o）代码2：第一行加密“02310231”，与代码1不同。（k）防伪设计图，（l）3D打印代码2的PL图像。（m）对应的二进制信息。(n) 3D 打印代码 2 的相应 3D 共聚焦 图像。(o) 解密的 3D 信息。

*本报道由中国科协科学技术传播中心支持发布