量子点显示因其具有发光纯度高、色域宽、半峰宽窄的特性，被认为是继有机发光显示之后的下一代显示技术，引起学术界和工业界的广泛关注。因此，柔性量子点薄膜材料在柔性显示器件、固态照明、背光源材料等光电子器件领域中展现出巨大的商业化前景。
然而，量子点容易受到环境中水、热和氧气等因素的影响，导致发光效率下降，甚至完全猝灭。为了解决这个问题，大量研究主要集中于把量子点分散在柔性塑料薄膜或浸渍到多孔有机物材料中制备。然而，这些基体材料制备工艺相对比较复杂、生产成本相对较高，而且来源于石油基材料，容易对环境造成严重的影响，与我国“双碳”战略的国策不符。因此，如何制备一种绿色低碳、环境友好、成本低廉的柔性量子点发光薄膜是成为亟待解决的关键问题。
木材是一种天然可再生、可降解的多孔材料，其生长过程中具有较好的固碳作用，开发基于木材的木质复合材料非常有利于我国“双碳”战略的执行。
针对上述问题并结合木材特性，中国林科院木材所唐启恒研究小组通过自上而下的策略首次制备了一种具有超薄、超柔、良好耐水特性的量子点透明木材薄膜（QDs/superthin TWF）。相关工作以“Toward 90μm Superthin Transparent Wood Film Impregnated with Quantum Dots for Color-Converting Materials”为题，以Supplementary Cover Article的形式发表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》（2022年2月14日第10卷第6期）。第一作者为博士研究生邹淼，通讯作者为唐启恒副研究员，郭文静研究员和常亮副研究员对本工作提出大量宝贵意见和建议。该工作得到了国家自然科学基金（31800484）、“十四五”国家重点研发计划（2021YFD2200604）等项目的支持。
研究小组首先使用水平刨切的方法从天然木材中制得超薄木膜（Superthin TWF），再将量子点浸入脱除木质素的超薄木模微纳孔隙结构中，利用脱除木质素木材的孔隙分散存储量子点，最后通过真空辅助方式浸渍柔性环氧树脂，固化得到可发红光、蓝光、绿光的量子点发光薄膜（QDs/superthin TWF），该薄膜材料厚度仅有 90 μm，曲率半径为1.3 mm，具有良好柔性，且发光亮度均匀、强度高，透光率好（约90%）。该研究成果有望将木材应用于光转换材料、柔性显示器件、固态照明等领域中，不仅提高了木材的高附加值，也为柔性光电器件的绿色化设计提供了一种环境友好的解决方案。
图1. 量子点超薄透明木材光转换薄膜的制备流程示意图。
图2. 水平刨切单板技术制备的单板宏观和微观结构，(a) 天然杨木单板。(b) 去除木质素的杨木单板。(c-e) 天然杨木单板的微观结构。(f-h) 去除木质素的杨木单板的微观结构。
图3. (a,b) 超薄透明木材放置在纸片上和高于纸片10mm处外观图。(c) 游标卡尺测量超薄透明木材的厚度。(d,e) 扫描电镜测定超薄透明木材的厚度。(f1−f2) 超薄透明木材沿不同方向扭转的的柔性。
图4. (a) 含量子点超薄透明木材制备示意图。(b) 红色QDs溶液的发光和吸收光谱(上图)和含量子点的脱除木质素木材照片(下图)。
图5. (a) 量子点超薄透明木材发光薄膜的照片。(b1-b2) 紫外照射下，量子点超薄透明木材发光薄膜在不同卷曲状态下发光。(c) 用游标卡尺测量量子点超薄透明木材发光薄膜的曲率半径。(d-f) 不同QDs浓度下QDs/delignified veneer的多孔结构。(g-i)不同QDs含量的量子点超薄透明木材发光薄膜的透光率、雾度和发光强度。
为研究量子点超薄透明木材发光薄膜的耐环境性能，将其浸泡在水、NaOH溶液（pH=10）、NaCl溶液、HCl溶液（pH=1）、乙醇中，结果表明，该薄膜在酸性条件下半天就荧光猝内，因为酸将量子点腐蚀了；然而在其他溶液和乙醇溶剂中，该薄膜具有良好的发光特性，浸泡10天，荧光强度几乎没有发生变化。随着浸泡时间进一步延长，荧光强度才缓慢降低，在水、盐溶液、乙醇中降低为0时，分别需要35天、35天、45天；而在碱溶液中则延长到60天。因此，可知该薄膜在水、碱溶液、盐溶液、乙醇试剂等恶劣环境中具有良好的荧光稳定性，大大拓宽了量子点薄膜的应用领域。
图6. (a1-a2) 发光的绿色和蓝色QDs溶液。(b-c) 绿色和蓝色QDs溶液的吸收光谱和荧光光谱。(d-f) 紫外光照射下的superthin TWF以及绿色和蓝色的QDs/superthin TWF的数码照片(QDs浓度为0.50 mg/mL)。(g) 使用QDs/superthin TWF演示的数码照片。(h1-h2) 红色QDs/superthin TWF泡入水中的数码照片。(i) 浸泡在恶劣环境中的红色QDs/superthin TWF的透光率变化情况。
基于量子点超薄透明木材发光薄膜的高荧光稳定性和长荧光寿命的特点，可将其与蓝色发光二极管结合，制作柔性光转换器件。
图7. (a-c) 蓝色发光二极管（LED）的荧光光谱和CIE颜色坐标。(d1-d2,e1-e2,f1-f2) 用蓝色LED激发的包含红色和绿色QDs/superthin TWF的颜色转换器件的示意图以及对应的荧光光谱。
近年来，该研究小组采用各种人工林速生木材、竹材为原料研制透明木（竹）材，并持续对透明木（竹）类材料开展大量研究，研制出1米长度透明木材、25秒超快速固化透明木（竹）材、高强度透明木（竹）材、量子点发光透明木（竹）材、超薄透明木材、超柔性透明木材等一系列新型木基复合材料，获得多项国家授权发明专利。
论文信息
Miao Zou, Yongping Chen, Liang Chang, Xianbao Cheng, Li Gao, Wenjing Guo, Yiping Ren, Luo Shupin, and Qiheng Tang*,Toward 90 μm Superthin Transparent Wood Film Impregnated with Quantum Dots for Color-Converting Materials, ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2022 10 (6), 2097-2106
DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c07013
原文链接
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.1c07013