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《新材料周刊》第33期:丨中外合作突破钙钛矿发光二极管技术 加速下一代显示器发展

发布时间:2019/11/25 08:40

  内容摘要:中外合作突破钙钛矿发光二极管技术,加速下一代显示器发展3.6MW超导风力涡轮机首次测试成功新型半导体材料可拉伸可完全降解新型激光器可用于超高频通信美开发用于卫星、火箭及飞机的超薄隔热板美开发不沉没金属美利用3D打印打造出聚合物防弹立方体超短脉冲激光器平均输出功率达到350W

  中外合作突破钙钛矿发光二极管技术

  加速下一代显示器发展

  日本九州大学、中国科学院及长春应用化学研究所、法国索邦大学及法国国家科学研究中心合作,通过选用合适的有机材料,成功地将准二维钙钛矿LED的发光效率提高到了原来的4倍左右,有望加速下一代显示器的发展。有机无机杂化钙钛矿因成本低、容易加工以及光电特性优异,受到了光电子研究领域的广泛关注,基于该类材料的发光二极管也极具潜力成为下一代照明和显示组件。其中,三维钙钛矿是由有机和无机组分在三维空间交替结合而成,二维钙钛矿是由两种组分交替形成的片层结构,而准二维钙钛矿则是两类钙钛矿的混合结构。由于准二维钙钛矿存在天然形成的量子阱结构,与传统的三维钙钛矿相比具有更大的激子结合能,从而更有利于发光。

  基于上述发现,研究团队通过选择合适的有机组分,制备了能够高效俘获三线态激子的准二维钙钛矿发光二极管,获得了12.4%的电光转换效率。采用此方法,可以大幅提高钙钛矿LED的发光效率,将给显示器行业带来巨大的冲击。另外,利用该方法还有望提高钙钛矿的激光振荡特性,为医疗和通信领域发展做贡献。作为近年来最火爆的明星材料之一,钙钛矿成功吸粉无数。

  全无机钙钛矿、有机无机杂化钙钛矿、二维和一维等各种钙钛矿材料在光伏/光电/热电等诸多领域引发新一轮的研究热潮。钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点。钙钛矿可以制成太阳能电池,还可以制成发光二极管、催化剂,甚至可以制成未来量子计算机的元件。

  钙钛矿之所以在多个领域有着广泛的应用前景,是因为它是一个大家族。钙钛矿并不是专指一种含钙和钛的某种化合物,而是一类具有ABX3结构的晶体材料的总称,其中A是较大的阳离子,B是较小的阳离子,X是阴离子,每个A离子被B和X离子一起构成的八面体所包围。

  历史上所发现的第一种钙钛矿,是天然矿物钛酸钙(CaTiO3),它是1839年德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山探险时发现的。随后,研究人员把所有具有ABX3结构的晶体材料都称为钙钛矿。

  钙钛矿之所以会被许多研究人员宠爱,是因为很多种离子都可以在一起组合成ABX3的结构,比如BiFeO3、CsPbI3等,元素周期表中90%的金属元素都可以成为钙钛矿的A或B离子。当科学家需要一种特别的材料时,研究人员就制造出了大量的有着相同结构但元素组成不同的晶体,通过实验对比,能很快找到表现最佳的材料。(日本科学技术振兴机构网站11月12日消息综合)3.6MW超导风力涡轮机首次测试成功 EcoSwing集团设计、开发、并制造了用于3.6MW风力涡轮机的全尺寸超导发电机,并在丹麦的曲博伦(Thyborøn)进行了现场测试。过去几十年来,风力涡轮机体积显著增长,永磁直接驱动(PM-DD)发动机可以为最新的多兆瓦级发电机提供解决方案,但是10兆瓦以上的PM-DD涡轮机需要大大减轻重量才能有望应用。伪电磁直接驱动(PDD)可以解决此问题,但它们很昂贵,生产起来非常复杂。为了应对这一挑战,研究团队采用了稀土钡氧化铜(ReBCO)高温超导发电机。

  与永磁机相比,这些设备需要的稀土材料量更少,可降低成本。超导体还可以承载高电流密度,使线圈功率密度更高、重量更轻。该超导发电机的现场测试非常成功。当发电机安装在Thyborøn时,涡轮机实现了目标功率范围,包括超过650小时的并网运作。这表明超导发电机技术与所有运行环境要素兼容,如变速、电网故障、电磁谐波和振动等。该项目还取得了其他几项实质性进展,这表明高温超导线圈的生产并不极限于专业实验室,并实现了从科学研发到工业成功的技术转移。

  高温超导转子也已在工业环境中组装完成,表明超导组件可以部署在“标准”制造环境中。研究证明超导发电机技术将在风力涡轮机上得到广泛应用。(ScienceDaily网站11月12日消息)新型半导体材料可拉伸可完全降解 美国斯坦福大学研究人员近日开发出一种可拉伸、可完全降解,并能在应变时保持稳定电气性能的半导体材料。当前大多数半导体是由硅或其他刚性无机材料制成。科学家在尝试使用不同的方法来制造柔性、可降解的半导体,但它们要么不能完全分解,要么在拉伸时会降低电气性能。在新研究中,研究人员将一种可降解的橡胶状有机聚合物和一种可酸降解的半导体聚合物混合,组装成半导体纳米纤维。

  由这些纤维制成的薄膜可以拉伸到其正常长度的两倍而不会破裂或损害其电气性能。当置于弱酸中时,这种新材料会在10天之内完全降解

  该材料对人类细胞无毒,但在人体内的降解时间要更长一些。

  新材料的这些属性可用于开发各种多功能电子设备,并有望在医疗、环境监测、信息安全等领域得到广泛应用,例如在医疗领域,可拉伸、有弹性的生物医学设备可以与人体器官紧密结合,而不会因机械不匹配而引起炎症反应。(Phys网站11月13日消息)新型激光器可用于超高频通信 美国哈佛大学、麻省理工学院与美国陆军合作开发出一种小型激光器,调谐频率达到了太赫兹级,是迄今性能最优异的太赫兹激光器。以往的太赫兹激光器体积大、效率低、调谐频带宽度有限,且必须在低温下工作。

  新研究使用高度可调谐的量子级联激光器(QCL)作为光泵,并结合一氧化二氮激光器对激光腔和透镜进行优化。该新型激光器改善了以上缺陷,可在室温条件下运行,有望加快美国对太赫兹通信频段的利用,并将有效缓解频谱资源紧张的状况。

  研究人员表示,该激光器适用于多个军用及商用场景,且具备快速实现商业化的可能。(哈佛大学网站11月14日消息)美开发用于卫星、火箭及飞机的超薄隔热板 佛罗里达州立大学研究人员近日基于“布基纸”的碳纳米管薄片制成轻质隔热板,可以承受高超音速飞行带来的热量,有望应用于超音速飞机机身为其提供保护和支撑。布基纸是由碳纳米管压缩成薄片制成的。当压缩多层时,薄片的质量可以达到比钢轻10倍,强度比钢强500倍,可以帮助支撑飞机的结构。然后将其浸入在酚醛树脂中形成轻巧的隔热板。

  火焰和弯曲测试表明,用碳纳米管薄片制成的隔热板在散热和防止热量到达基层方面效果更好,并且保持了强度和灵活性。(佛罗里达州立大学网站11月12日消息)美开发不沉没金属 受潜水钟蜘蛛和火蚁筏启发,罗彻斯特大学研究人员开发出防水金属结构,该结构即使遭到严重破坏也不会下沉。研究人员使用飞秒激光在金属表面“蚀刻”出纳米尺度的复杂微观图案,这些图案可捕捉空气,使金属表面具有超疏水性;然后对平行的两个金属进行内测而非外侧的处理,使两者形成封闭结构。金属之间适当的距离可以捕捉足够空气,为金属结构提供足够浮力。测试表明,新设计的金属结构即便被压入水底两个月,也能在载荷释放后立即弹回水面。此外,即便金属结构被多次刺穿,也能依靠剩余部分的空气,继续保持悬浮性。

  该工艺可用于任何金属,有望用于制造永不沉没的船舶、可穿戴漂浮装置或者长期漂浮的海洋电子监控设备。

  美利用3D打印打造出聚合物防弹立方体 莱斯大学研究团队近日利用3D打印技术打造出一种具备某种防备能力的格子状聚合物立方体,由交联碳纳米管组成的复杂结构,几乎能与钻石一样坚硬,高速子弹射击时只留下一些凹痕,比实心材料更能阻止子弹,且还高度可压缩而不破裂。实验证明,其在吸收冲击方面的效率要比普通立方体高出10倍。研究人员表示这种结构的独特特性来自其复杂的拓扑结构,而拓扑结构与规格无关。

  金属、陶瓷和聚合物的管状结构受打印机尺寸的限制,优化晶格设计可将其用于民用、航空、汽车、体育、包装和生物医学领域。(莱斯大学网站11月13日消息)超短脉冲激光器平均输出功率达到350W 瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员于近日展示了一款亚皮秒薄盘激光振荡器,平均输出功率达到创纪录的350W,成为超短激光脉冲振荡器的新“标杆”,也为实现更强大的激光器奠定了基础。

  薄盘激光振荡器的增益介质(激射发生材料)是一块厚约100微米的圆盘。这种几何形状提供了较大的表面积,有助于冷却,但热效应仍是这种激光器功率提升的“拦路虎”,自2012年以来,其最大输出功率为275W。研究人员开发了一种方法,使泵浦光束能多次增益介质,同时又不造成有害的热效应,从而减小了相关部件承受的压力。研究人员表示,新方法稍作修改,输出功率可超过500W。随着技术的进一步改进,输出功率未来有望达千瓦级。(苏黎世联邦理工学院网站11月11日消息)