第一作者：聂林

通讯作者：王婷，徐旭辉，余兆丰

通讯单位：成都理工大学，昆明理工大学，香港理工大学

研究亮点：

1.通过连续波（CW）激光直接写入，在聚偏氟乙烯(PVDF)基质中实现了CsPbX3(X=Br, I)钙钛矿材料的图案化精准控制。

2.使用CW激光器作为图案化写入光源，避免了钙钛矿结晶的不可控或热烧蚀的破坏等问题，实现在在微米尺度上精确定制图案。

3.成功制备了具有高稳定性、高柔韧性和高透明度的多色钙钛矿薄膜，并通过叠层方案证实了其在柔性显示器方面的应用。

一、研究背景

金属卤化物钙钛矿因其出色的光物理特性，如高迁移率、载流子扩散长度长、吸收系数高等，被认为是下一代光电器件的理想候选材料。金属卤化物钙钛矿在片上集成、超高分辨率显示、图像传感器阵列和荧光防伪标签等领域应用广泛，微米或纳米级金属卤化物钙钛矿图案的高精度制造方法至关重要。目前自上而下的光刻技术可以精确钙钛矿制造图案，但钙钛矿晶体长时间暴露在光刻溶剂中会使材料结构破坏以及性能显著降低，这严重限制了钙钛矿器件的性能。因此，开发实用的高精度钙钛矿图案制备技术对设计新一代功能光电器件至关重要。

二、成果简介

鉴于此，成都理工大学王婷研究员、昆明理工大学徐旭辉教授和香港理工大学余兆丰教授合作提出了通过连续（CW）激光器直接写入钙钛矿的新思路。本工作通过CW激光诱导钙钛矿纳米颗粒（NPs）在聚偏氟乙烯（PVDF）透明基体内形核结晶。钙钛矿NP的结晶主要是基于光镊效应而非热烧蚀，避免了钙钛矿不必要的结晶和基体的破坏。该技术可用于制造高透明度、高分辨率和高稳定性的多色钙钛矿薄膜材料，在叠层柔性多色显示薄膜领域具有潜在的应用价值。此项工作为高精度制备钙钛矿薄膜图案提供了新策略，并扩大其在显示器和微型发光二极管等光电子集成器件领域的应用前景。

三、图文解析

图1. CsPbX3(X = Br, I)钙钛矿PVDF薄膜的CW激光直接写入钙钛矿。(a)CW激光直接在PVDF中写入钙钛矿的示意图。(b)365 nm紫外灯激发下的钙钛矿阵列照片。(c)CW激光直接写入的多色CsPbX3(X= Br, I)钙钛矿薄膜照片。

图2. CW激光直接写入钙钛矿薄膜的表征。(a)通过调整CW激光泵浦密度和曝光时间所得到的激光照射区域的光学图像。(b)前驱体薄膜材料在CW激光辐照前和辐照后的XRD图谱。(c) CW激光辐照前的前驱体薄膜材料的TEM图像。CW激光照射区域的(d)TEM图像和(e)尺寸分布图像。

图3. 通过原位光学探究CW激光直接写入钙钛矿机理。(a) 不同CW激光辐照时间的钙钛矿薄膜的PL光谱。泵浦密度为4.8kW cm−2。(b) 405nm CW激光辐照1分钟和2分钟获得的钙钛矿薄膜的PL衰减曲线。(c)前驱体薄膜材料在405nm CW激光辐照前后的拉曼光谱。(d) 钙钛矿薄膜的PL峰值强度随辐照时间的变化趋势。CW激光泵浦功率分别为1.2、2.4和 4.8kW cm−2。(e)钙钛矿薄膜的PL的中心波长随辐照时间的变化趋势。CW激光泵浦密度为1.2、2.4和4.8kW cm−2。(f) 钙钛矿薄膜的PL峰值强度随辐照时间的变化趋势。激光泵浦功率为2.4 kW cm−2，工作温度分别为30、60和80℃。CW激光直接写入的钙钛矿阵列在（g）日光和（h）紫外线灯照射下的照片，以及（i）SEM图像。比例尺：20 μm (g)、20 μm (h) 和 5 μm (i)。

图4. 通过原位TEM技术探究CW激光直接写入钙钛矿机理。(a) 随辐照时间的延长，动态记录的原位TEM图像。(b)CsPbBr3 NP数量和（c）尺寸分布随辐照时间的变化趋势。CsPbBr3 NP长大过程，分别通过单体贴附(d)和合并过程(e)的原位TEM图像。(f)CW激光直接在PVDF基体写入CsPbBr3 NP的机理图。

图5. CW激光直接写入多色钙钛矿薄膜的照片。(a)日光和紫外线照射下的CW打印的绿色三星堆，黄色舞狮和红色故宫。(b)通过叠层方案制作多层多色薄膜的示意图。

四、小结

本工作提出一种CW激光直接写入钙钛矿实现柔性多色显示的方法。钙钛矿NP在PVDF基质中的结晶主要是基于光镊效应而非热烧蚀，从而避免了不可控的结晶和基体破坏问题，实现了高精度的图案写入。其中，PVDF高分子链对钙钛矿NP的有效包覆，提高了钙钛矿NP的稳定性，同时抑制铅泄漏造成的环境污染。CW激光直接写入的钙钛矿薄膜材料具有高透明度，高柔性和图案精准可控的特点，可以实现叠层多色薄膜的制造。该策略工艺简单、低成本，适合应用于高精度柔性显示领域。

五、参考文献

NIE L, WANG T, YU X, et al. Multicolor Display Fabricated via Stacking CW Laser-Patterned Perovskite Films [J]. ACS Energy Letters, 2023: 2025-32.

DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00134

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c00134