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近期，吉林大學楊柏教授課題組提出了一種雙配體策略，實現了鈣鈦礦納米晶（PNCs）在聚苯乙烯（PS）當中的均勻分散。雜化材料在較高摻雜量(5 wt%)的情況下，依然能夠保持很高的透明性，這與PNCs在聚合物中的瑞利散射行為是分不開的。基于此種特性，課題組詳細研究了系列組分CsPbCl?Br??? (1≤x≤3) PNCs在聚苯乙烯當中的瑞利散射行為，并開發了這一雜化材料作為導光板的應用潛力。

該研究成果以“Bulk CsPbCl?Br??? (1≤x≤3) perovskite nanocrystals/polystyrene nanocomposites with controlled Rayleigh scattering for light guide plate”為題發表在Light: Science & Applications。本文第一作者為吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室博士生劉崇銘，通訊作者為楊柏教授。

將納米晶與聚合物相結合得到的雜化材料通常能夠結合二者各自的優勢，實現1+1＞2的效應，這已經在多個領域得到了印證。然而，納米晶巨大的表面能引起的相分離問題，對雜化材料的性能及相關應用的效果影響巨大，從而也會使得納米晶的在聚合物中摻雜量受到限制。因此，實現納米晶在聚合物骨架中均勻的分散對于雜化材料的制備，性質以及相關應用是十分關鍵的。

PNCs作為材料界的寵兒，通過與聚合物復合的方式實現相關材料及應用性能的提升，一直是熱點話題。目前，大多數的PNCs/聚合物的復合方式，都是基于旋涂，溶脹，靜電紡絲等手段，通過原位生成或直接物理共混的方式制備得到的。極少數的工作能夠以PNCs與聚合物單體共聚的方式得到雜化的體相材料，這間接說明需要更有效的策略及手段來抑制PNCs在聚合物骨架中相分離的發生，以實現PNCs在聚合物當中的均勻分散。

基于以上背景，本研究提出了一種雙配體的策略，通過與苯乙烯單體共聚的方式，制備得到了均勻分散的PNCs/PS雜化材料。首先，通過配體交換的方式在PNCs表面修飾1-氨基-10-十一烯使其在的苯乙烯單體中穩定分散。隨后，將合成的具有雙苯乙烯基團的季銨鹽作為可聚合活性配體，賦予了PNCs聚合活性，實現了其與苯乙烯單體的共聚。所制備的CsPbCl?PNCs/PS雜化材料在5 wt%摻雜量的情況下依然具有很高的透明性。（圖1）

圖1：雜化材料透明性及瑞利散射示意圖

PNCs在聚合物骨架中，良好的分散性以及相分離的有效抑制，使得光在雜化材料中的散射行為遵循瑞利散射理論，是雜化材料高透明性的關鍵，也即納米晶在散射光的同時而不發生嚴重的消光。（圖2）基于這一特性，工作人員進一步開發了CsPbCl?PNCs/PS雜化材料作為導光板的潛力并研究了其對于導光性能提升的原理。

圖2：導光板對藍色激光散射效果圖

同時，團隊通過對PNCs組分的調控，進一步實現了對PNCs瑞利散射行為的控制，并通過計算不同組分CsPbCl?Br??? (1≤x≤3) PNCs的散射截面及散射效率（圖3），詳細研究了其對于導光板性能的影響（圖4）。

圖3：PNCs單位立體角散射截面計算圖

圖4：導光板面上出光總照度圖

將該新型導光板與液晶顯示技術相結合，無論是背光模組的亮度還是均勻度都呈現出了明顯的提升。最優情況下，在1 wt% 摻雜量，PNCs組分為CsPbCl?.?Br?.?時，5.0寸導光板的表面出光總照度相比于對照組提升了接近20.5倍，背光模組的均勻度提升了接近1.8倍。（圖5）

圖5：導光板實際應用效果圖

應用與展望

研究所采用的雙配體雜化策略為PNCs與聚合物復合提供了一種新思路，并進一步拓寬了PNCs在光學方面的潛在應用。所提出的新型PNCs/PS雜化導光板，能夠有效的將線光源轉換為面光源，提高顯示效果的同時，降低產品能耗。在電視，筆記本電腦，智能手機，平板等相關的液晶顯示領域具有巨大應用潛力。特別是，也能夠作為一種潛在的基礎材料，與導光板相關加工技術包括楔形板工藝，微結構點陣技術等相結合，進一步開發出性能更為優異的導光板。

論文信息

Liu, C., Zhu, Z., Pan, K. et al. Bulk Cl?Br??? (1?≤?x?≤?3) perovskite nanocrystals/polystyrene nanocomposites with controlled Rayleigh scattering for light guide plate. Light Sci Appl 12, 261 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01306-z

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