Новая оптика и фотоника

Патрисия Даукантас

Цзюньи Чжао из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, США, демонстрирует использование простой шариковой ручки для написания светодиодов на бумаге. [Изображение: Лаборатория Вана, Вашингтонский университет в Сент-Луисе]

Многие люди любят записывать свои свежие идеи ручкой и бумагой. В будущем они смогут воплотить эти идеи в виде специальных светодиодов на воздушных шарах для вечеринок, одежде или даже в персонализированных медицинских датчиках.

Исследователи из США разработали систему для рукописного ввода светодиодов и фотодетекторов на множество обычных подложек — от бумаги до резины и ткани (Nat. Photon., doi: 10.1038/s41566-023-01266-1). Команда наполнила обычные шариковые ручки специальными «чернилами», содержащими крошечные металлические проволоки и нанокристаллы перовскитов — универсальных полупроводников, которые ярко светятся при правильной стимуляции. По мнению исследователей, потенциальные области применения варьируются от гибких одноразовых носимых датчиков до персонализируемого текстиля и умной упаковки.

«Опыт письма отражает естественный поток повседневного письма», — говорит ведущий автор Цзюньи Чжао, докторант лаборатории Чуан Вана, профессора инженерного дела в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, США.

Проверенные временем методы изготовления оптоэлектронных устройств включают центрифугирование, испарение и травление, обычно с использованием вакуумных камер или другого специализированного оборудования. Хотя некоторые ученые, в том числе Ван и его коллеги, пробовали использовать струйную печать и другие более простые системы осаждения в качестве замены, очистка и выравнивание струйных печатающих головок могут стать проблемой.

Два года назад Чжао и Ван представили органо-неорганические оптоэлектронные чернила, состоящие из кристаллов перовскита, встроенных в гибкую полимерную матрицу, и они печатали схемы, подавая это соединение в струйный принтер. Скромная шариковая ручка, наполненная жидкими светодиодами вместо оригинальных чернил, оказалась еще более простым механизмом доставки, но формулу перовскитовых чернил сначала потребовала настройки.

Логотип Вашингтонского университета в Сент-Луисе, нарисованный разноцветными светодиодными «чернилами» на алюминиевой фольге. [Изображение: Лаборатория Вана, Вашингтонский университет в Сент-Луисе]

Чжао говорит, что он и его коллеги тщательно настроили реологию чернил, или их способность растекаться, а также их смачивающую способность, позволяющую создавать однородные линии на различных поверхностях. Команде также пришлось настроить растворители так, чтобы нанесение нескольких слоев оптоэлектронных чернил на одно и то же место не приводило к растворению верхних слоев или нарушению целостности нижних слоев.

«Что касается опыта письма, мы тщательно изучили воздействие силы, прилагаемой к ручке во время процесса письма, определяемого как «мягкое письмо» и «жесткое письмо», — говорит Чжао. «Примечательно, что сила, приложенная к ручке, не поставит под угрозу функциональность наших оптоэлектронных устройств. Интересно, что на ширину пути письма эффективно влияют как мягкие, так и жесткие методы письма. Мягкое письмо дает более узкий путь, тогда как жесткое письмо дает более широкий путь. Такая универсальность в давлении письма способствует настраиваемому разрешению рисунка на конечном устройстве».

Поскольку нарисованные от руки светодиоды имеют вертикальную сэндвич-структуру, исследователи приложили немало усилий, чтобы слои были достаточно разделены и однородны по толщине, чтобы предотвратить утечку тока между верхним и нижним электродами, говорит Ван. «Это проще сделать на плоских и невпитывающих поверхностях, таких как стекло или пластиковые пленки, но становится особенно сложно на волокнистых и пористых подложках, таких как бумага и текстиль», — добавляет он.

По словам Чжао, исследователям необходимо было учитывать время высыхания светодиодных чернил, поскольку любая дизайнерская ценность нарисованных изображений будет потеряна, если чернила размазываются. Чтобы ускорить сушку, команда включила в качестве добавок различные растворители с низкой температурой кипения, включая изопропанол и толуол. «Эти растворители эффективно снизили температуру кипения наших функциональных чернил», — говорит Чжао. «Следовательно, скорость высыхания некоторых слоев, таких как светоизлучающий слой перовскита, буферный слой полиэтиленимина и верхний электрод из серебряной нанопроволоки, была заметно ускорена. Фактически, в некоторых случаях высыхание происходило быстро или сразу, что устраняло необходимость какого-либо периода ожидания».