普林斯顿大学力作:首个全3D打印LED灯问世

3D打印迄今仍然局限于特定塑料、被动导体,和几种生物材料。但普林斯顿大学的研究团队已经成功3D打印出基于量子点的LED(QD-LED),显示出不同类型的材料可以3D打印,并完全集成到具有有源器件性能的组件中。

McAlpine和他来自普林斯顿大学的同事已经将5中不同种类的材料混合在一起打印出第一个全3D打印的LED灯了。

“使用3D打印实现不同材质的无缝集成是一个巨大的挑战。”普林斯顿大学教授Michael McAlpine指出。

在他们发表在《Nano Letters》上的报告中,研究者描述了五种不同材料的无缝交织,其中包括:1)光致发光半导体的无机纳米粒子;2)一种弹性体基质;3)作为电荷传输层的有机聚合物;4)固体和液体金属引线;5)UV粘合透明基板层。

该研究团队的做法包括三个关键步骤。 首先,确定电极、半导体和聚合物具有期望的功能和以可打印的形式呈现;接着,小心确保这些材料可溶解于正交溶剂,以免在逐层打印过程中损害到下面层的完整性;最后,这些材料的交织图案是通过CAD设计的构建体上直接分配来实现的。

科技媒体ExtremeTech报道说,研究小组使用了一台自己开发的3D打印机,“现成的3D打印机都无法胜任这项工作。”研究团队的Ryan Whitwam说。“我们花了半年多的时间和2万美元才制造出所需要的3D打印机。”

每个量子点LED的底部层都是由银纳米颗粒构成的,它们正好将LED与电子电路连接起来。在其顶部是两个聚合物层,推动电流朝上进入下一层。这里就是真正的“量子点”所在之处——它们是纳米级的半导体晶体,是包裹在硫化锌外壳中的硒化镉纳米颗粒。每当一个电子撞击这些纳米粒子,它们就会发出橙色或绿色的光。光的颜色可以通过改变纳米颗粒的尺寸来控制。顶层是一个比较普通的镓铟磷材料,用来引导电子远离发光二极管。

3D打印的嵌入式QLED的2×2×2的多维矩阵。

作为概念验证,研究团队3D打印了其中一种基于量子点的LED(QD-LED,基于硒化镉纳米粒子,硫化锌外壳,顶层为铟镓),该QD-LED表现出纯和可调色彩的发光特性。

通过进一步融入表面拓扑结构的三维扫描,研究团队还能将QD-LED打印到具有曲线形的表面的设备上,如接触透镜。

CAD模型上显示QD-LED元件保形集成到曲线基板上。

研究团队展示的第三个例子是一个封装的LED 2×2×2立方体,据了解,该立方体中的每个组件和电子设备都是3D打印的。这就证明这种难以使用标准的微加工技术完成的新型架构可以通过3D打印来构建。

总体而言,研究团队表示,结果表明,3D打印的应用潜力比我们已经知道的要广泛得多,并能集成许多不同类型的材料。

工作中的3D打印QD-LED的低分辨率图像

“我们预计,这一般策略可扩展到3D打印其他类型的有源器件,如MEMS器件、晶体管、太阳能电池和光电二极管等。”McAlpine教授表示。“总体来说,我们的结果展现了一些令人兴奋的应用,包括通过几何剪裁含有LED和多传感器的设备,为研究神经回路的光遗传学提供了新的工具。”

同时3D打印有源电子元件与生物构建体可能导致新的仿生装置的出现,比如通过光刺激神经细胞的假体植入物。

据研究团队介绍,他们今后的工作将着重解决一些关键挑战,其中包括:1)增加3D打印机的分辨率,使其能够3D打印更小的设备;2)改进打印设备的性能和打印速度;3)集成其它类别的纳米级功能,组成模块和设备,包括半导体,电浆子(plasmonic)和铁电物质(ferroelectric)等。(责编:Flora)


来源:天工社


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