Science：一种新型玻璃，有望让手机告别碎屏！

来源：学术头条
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本文为你介绍一种基于金属有机框架（MOF）玻璃和全无机钙钛矿复合材料。

手机掉在地上，啪一声，屏幕就碎了。这时的你，脑袋里或许有一万个后悔，“我为啥没有买碎屏险？”（哦，多么痛的领悟～）

在信息化时代，我们已经离不开电子产品，尤其是手机，更是人人必备。

但在日常生活中，“手机碎屏”这种糟心事件，常有发生。包括你的大多数人，肯定想过这样一个问题：

有没有一种摔不碎、性能还很好的手机屏幕？

近日，来自澳大利亚昆士兰大学、英国剑桥大学、利兹大学的研究团队及其合作者，联合制备了一种基于金属有机框架（MOF）玻璃和全无机钙钛矿复合材料，该复合材料在水、有机溶剂、光、热和空气环境下表现出很高的稳定性，其光致发光性能比纯的钙钛矿大两个数量级。

研究人员表示，这种材料不仅可以为手机等电子产品提供令人惊叹的画质，而且具有非常高的强度。

相关研究论文以“Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses”为题，发表在权威期刊 Science 上。

前辈们的“美中不足”

随着科技的发展，不论是手机屏幕还是其他电子产品的显示器，都在不断地更新换代，从上个世纪的黑白电视，到如今的液晶显示屏、OLED 显示屏等，更清晰、更坚固的特点，已经成为人们对电子产品屏幕的首要追求之一。

但是，目前主流的用于制作屏幕的钙钛矿材料仍然存在稳定性差、有毒性、对水分、热等很多因素的敏感问题。因此，为解决这一系列问题，科学家们对钙钛矿材料进行了许多探索。

当前，量子点发光二极管（QLED）屏幕被认为是当前图像显示和性能的佼佼者。其中，量子点是指“纳米级别的小型球状半导体粒子”，也被称为纳米半导体粒子或纳米晶体，这种材料在受到光或者电刺激时，能够改变光源的颜色，从而发出有色光。

简而言之，量子点实际上就是一种能在光或电的作用下会发光变色的颗粒物。因此，量子点可以用于固态照明、信息显示（屏幕）等方面。

而具有可调谐的带隙、高电荷载流子迁移率和明亮的窄带光致发光（PL）的卤化铅钙钛矿（LHP），则是制作量子点的一种材料。但这种材料仍存在三个致命的问题：

1）稳定性差：其对光、水分、氧气、热等比较敏感，即使是空气中的水分也会使材料失效；
2）易离解：无法在极性溶剂中长期存在；
3）有毒性：铅基钙钛矿材料在废弃之后，会对人体的神经系统、心血管系统、骨骼系统造成损害，进入人体之后也很难排出。

一次“破冰行动”

为解决以上问题，研究人员研发出了一种将纳米晶体包裹或结合在多孔晶体材料（MOF）中的工艺。

他们将结晶 LHPs 和沸石咪唑盐框架（ZIF，多孔晶体材料，MOF 材料的一种）玻璃基质通过液相烧结制备了一种全新的卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料。

这种复合材料具有良好的力学性能，研究人员对 ZIF 材料和卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料所做的纳米压痕测试表明，复合材料的硬度可以达到 340 MPa（1MPa=10Kg）左右。相比于纯的 ZIF 多孔晶体材料，复合材料的硬度提升了 25% 左右。如果这种材料作为电子产品的屏幕，其屏幕破碎的风险大大降低。（再也不用害怕手机摔碎屏幕了）

图｜对玻璃进行纳米压痕实验，得到（A）纯多孔晶体材料和（B） 铅卤素钙钛矿纳米晶体复合材料的加载-卸载曲线。两个样品均在 300 ℃ 下烧结。（来源：Science）

对于这种复合材料，研究人员表示：“我们不仅可以使这些纳米晶体更加坚固，而且我们可以调整它们的光电子特性，具有出色的光发射效率和非常理想的白光 LED。这一发现为能源转换和催化新一代纳米晶体玻璃复合材料开辟了新的道路。”

在实验中，研究人员通过微观测量验证了卤化铅钙钛矿纳米晶作为发光源的可行性。

研究结果表明，卤化铅钙钛矿纳米晶体的环空暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）显示了两相之间有明显的原子数对比。通过扫描电子衍射（SED）鉴定了晶态和非晶态区域，其中显示了与 CsPbI3 晶体相对应的布拉格衍射区域。

图｜300 ℃ 烧结制备的卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料的相分布：(A) ADF-STEM 图像，(B) SED-STEM 映射，(C) 卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料的卤化铅钙钛矿晶体相分类结果。（来源：该论文及其补充材料）

除此之外，该复合材料具有更长的寿命，研究人员在不同的环境中对该复合材料进行了评估。

在复合材料中，由于 ZIF 多孔晶体材料的刚性和疏水性为卤化铅钙钛矿材料提供了保护，所以，在各种非极性、极性质子和极性非质子有机溶剂中延长（约 20 小时）超声处理后，复合材料仍具有稳定的 PL 发射。

图｜复合材料对有机溶剂的稳定性。（A）卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料在不同有机溶剂中超声约 20 h 后，在 365 nm 紫外光下相对发光强度的变化和（B）光学照片。

不仅如此，该复合材料在水中浸泡 10000 小时、在环境条件下储存 650 天、温和加热和连续激光激发＞500 s 后，仍保持 80% 的光致发光，具有良好的应用前景。

此外，由卤化铅钙钛矿材料（CsPbX3：X = Cl、Br和混合卤化物离子）和 ZIF 多孔晶体材料组成的复合材料阵列显示出较宽的色域和较窄的发光峰。对于所有卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料，无论是合成的还是经过相同烧结处理的卤化铅钙钛矿样品，其绝对发光强度至少比相应的纯卤化铅钙钛矿样品高两个数量级。

以上这些特性，加上高可加工性，使这些单片材料成为降档白光 LED 的理想候选材料。

图｜复合材料的稳定性和光学性能。（A）卤化铅钙钛矿纳米晶体在 Milli-Q 水中的相对发光强度变化。（B）卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料的归一化PL强度。（C 和 D）复合材料和纯卤化物钙钛矿材料在 3365 nm 紫外光下的光学照片。（来源：该论文）

可以说，这种新型的可加工复合材料在水、有机溶剂、热、光、空气、环境湿度下具有很高的稳定性，在 LHP 的应用领域取得了突破性的进展。

相信在不久的将来，这些材料可以大大降低我们的手机屏幕摔碎的风险，也可以为我们带来更极致的视觉体验。

参考资料：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf4460
https://www.sciencedaily.com/releases/2021/10/211028143734.htm
https://www.uq.edu.au/news/article/2021/10/uq-research-unlocks-technology-produce-unbreakable-screens

编辑：于腾凯