3D打印有機室溫磷光材料及打印的實時傳感和顯示設(shè)備

來源：摩方高精密

近年來，聚合物基室溫磷光（RTP）材料因其超長發(fā)光壽命特性而備受關(guān)注，并在信息存儲、防偽、非線性光學(xué)、生物成像、X射線檢測與成像以及發(fā)光器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，這類材料的研究和應(yīng)用主要集中在二維薄膜材料中，極大地限制了有機長余輝材料的實際應(yīng)用。因此，開發(fā)高效、穩(wěn)定以及能夠具有智能響應(yīng)特性的的聚合物RTP材料體系并將其應(yīng)用在復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)中，仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的課題。

近日，西北工業(yè)大學(xué)于濤教授團(tuán)隊設(shè)計并合成了一系列具有A-D-A構(gòu)型的新型咔唑衍生物客體分子，命名為EtCzBP、PhCzBP和PhCzPM，用于制備聚合物基RTP材料。通過將EtCzBP摻入甲基丙烯酸甲酯（MMA）基光敏樹脂中，成功開發(fā)了可光固化的RTP樹脂。最終，采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)，通過nanoArch® P150（精度：25μm）3D打印設(shè)備，打印了一系列具有RTP特性的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)�；�于其對外界溫度刺激十分敏感，壽命隨著外界溫度的變化而變化且易于調(diào)節(jié)的特性，首次實現(xiàn)了特定結(jié)構(gòu)的實時溫度傳感裝置及新型陣列顯示器件的制備和應(yīng)用。相關(guān)成果以“3D printable organic room-temperature phosphorescent materials and printed real-time sensing and display devices”為題發(fā)表在期刊《Chemical Science》上，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院博士生孫浩東和肖雨欣為本文的共同第一作者，于濤教授和Vonika Ka-Man Au教授為共同通訊作者。

該研究工作首先設(shè)計并合成了一系列咔唑衍生物以用于客體分子，用于制備基于聚合物的RTP材料。當(dāng)摻入PMMA中時，EtCzBP和PhCzBP表現(xiàn)出明顯的光激活RTP性能，而PhCzPM則未觀察到RTP現(xiàn)象。通過詳實的光物理研究和時間依賴密度泛函理論（TD-DFT）計算，論文揭示了其RTP發(fā)光和光激活特性的起源。

圖1. 分子設(shè)計及光物理性質(zhì)。

迄今為止，大多數(shù)的聚合物基有機RTP材料的均為二維柔性薄膜，具有刺激響應(yīng)性和復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的RTP材料鮮有報道。如圖2所示，將EtCzBP以0.5wt%的濃度摻雜在MMA樹脂中，通過DLP 3D打印技術(shù)，利用摩方精密nanoArch® P150（精度：25μm）3D打印設(shè)備打印出不同類型的具有光激活磷光特性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)�；�于此高精度的制造工藝，可以打印出一系列具有刺激響應(yīng)性室溫磷光性質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)。這些3D結(jié)構(gòu)的成功制造為實時溫度傳感和基于室溫磷光的新型顯示器的應(yīng)用提供了必要的先決條件。

圖2. 用DLP 3D打印技術(shù)構(gòu)建具有光激活RTP特性的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。

如圖3，該研究工作成功制備了基于余輝持續(xù)時間來實現(xiàn)實時溫度傳感的傳感器件和顯示器件。通過摩方微納3D打印技術(shù)獲得了螺旋狀中空結(jié)構(gòu)，該中空結(jié)構(gòu)中間的通道可供流體流動。通過觀察該螺旋結(jié)構(gòu)的余輝持續(xù)時間，可以直接反映出管路中流體的實時溫度。例如，當(dāng)處于環(huán)境溫度（約21℃）的液體流經(jīng)該螺旋結(jié)構(gòu)的管路時，關(guān)閉紫外光后，三個螺旋結(jié)構(gòu)的余輝持續(xù)時間相同且同時消失。根據(jù)該3D打印螺旋中空結(jié)構(gòu)不同位置的磷光持續(xù)時間，可以明顯看出液體的冷卻過程。溫度為65.7℃時，肉眼無法觀察到余輝現(xiàn)象，而當(dāng)溫度為49.7℃和31.9℃時，余輝的持續(xù)時間分別逐漸增加到0.3 s和0.8 s。

此外，由于該3D打印結(jié)構(gòu)的磷光具有隨環(huán)境溫度變化的開/關(guān)特性，基于此，團(tuán)隊設(shè)計并通過摩方微納3D 打印技術(shù)制作了一個基于磷光的顯示陣列。在此磷光顯示陣列中，顯示的像素結(jié)構(gòu)是通過3D打印制作的微型通道，其中間為鏤空結(jié)構(gòu)。當(dāng)該磷光顯示陣列整體處于較高溫度時，像素點不會展現(xiàn)出余輝發(fā)射的特性。向特定的通道內(nèi)通入低溫流體經(jīng)過紫外激發(fā)后，6×6的顯示陣列上可以顯示出特定的信息�？刂撇煌�通道的溫度，該磷光陣列可以交替顯示出各種字母。如“N”、“W”、“P”、“U”、“I”、“F”、“E”以及一個心形符號。通過對下方溫度控制陣列合理的設(shè)計，可將該磷光顯示陣列擴(kuò)展到更大的尺寸以及更高的像素。例如，可以在擴(kuò)展的12×12的顯示屏上顯示更復(fù)雜的表情符號圖案。

圖3. 基于3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的磷光溫度傳感裝置和大面積面板顯示器件。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/d5sc00316d