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普林斯頓大學力作:首個全3D打印LED燈問世

童程童美 2016-10-11

3D打印迄今仍然局限于特定塑料、被動導體,和幾種生物材料。但普林斯頓大學的研究團隊已經成功3D打印出基于量子點的LED(QD-LED),顯示出不同類型的材料可以3D打印,并完全集成到具有有源器件性能的組件中。

摘要

3D打印迄今仍然局限于特定塑料、被動導體,和幾種生物材料。但普林斯頓大學的研究團隊已經成功3D打印出基于量子點的LED(QD-LED),顯示出不同類型的材料可以3D打印,并完全集成到具有有源器件性能的組件中。

McAlpine和他來自普林斯頓大學的同事已經將5中不同種類的材料混合在一起打印出第一個全3D打印的LED燈了?!笆褂?D打印實現不同材質的無縫集成是一個巨大的挑戰?!逼樟炙诡D大學教授Michael McAlpine指出。在他們發表在《Nano Letters》上的報告中,研究者描述了五種不同材料的無縫交織,其中包括:1)光致發光半導體的無機納米粒子;2)一種彈性體基質;3)作為電荷傳輸層的有機聚合物;4)固體和液體金屬引線;5)UV粘合透明基板層。

普林斯頓大學力作:首個全3D打印LED燈問世

該研究團隊的做法包括三個關鍵步驟。 首先,確定電極、半導體和聚合物具有期望的功能和以可打印的形式呈現;接著,小心確保這些材料可溶解于正交溶劑,以免在逐層打印過程中損害到下面層的完整性;最后,這些材料的交織圖案是通過CAD設計的構建體上直接分配來實現的。

科技媒體ExtremeTech報道說,研究小組使用了一臺自己開發的3D打印機,“現成的3D打印機都無法勝任這項工作?!毖芯繄F隊的Ryan Whitwam說?!拔覀兓税肽甓嗟臅r間和2萬美元才制造出所需要的3D打印機?!?

普林斯頓大學力作:首個全3D打印LED燈問世

每個量子點LED的底部層都是由銀納米顆粒構成的,它們正好將LED與電子電路連接起來。在其頂部是兩個聚合物層,推動電流朝上進入下一層。這里就是真正的“量子點”所在之處——它們是納米級的半導體晶體,是包裹在硫化鋅外殼中的硒化鎘納米顆粒。每當一個電子撞擊這些納米粒子,它們就會發出橙色或綠色的光。光的顏色可以通過改變納米顆粒的尺寸來控制。頂層是一個比較普通的鎵銦磷材料,用來引導電子遠離發光二極管。

普林斯頓大學力作:首個全3D打印LED燈問世

3D打印的嵌入式QLED的2×2×2的多維矩陣

作為概念驗證,研究團隊3D打印了其中一種基于量子點的LED(QD-LED,基于硒化鎘納米粒子,硫化鋅外殼,頂層為銦鎵),該QD-LED表現出純和可調色彩的發光特性。

通過進一步融入表面拓撲結構的三維掃描,研究團隊還能將QD-LED打印到具有曲線形的表面的設備上,如接觸透鏡。

普林斯頓大學力作:首個全3D打印LED燈問世

CAD模型上顯示QD-LED元件保形集成到曲線基板上

研究團隊展示的第三個例子是一個封裝的LED 2×2×2立方體,據了解,該立方體中的每個組件和電子設備都是3D打印的。這就證明這種難以使用標準的微加工技術完成的新型架構可以通過3D打印來構建。

總體而言,研究團隊表示,結果表明,3D打印的應用潛力比我們已經知道的要廣泛得多,并能集成許多不同類型的材料。

“我們預計,這一般策略可擴展到3D打印其他類型的有源器件,如MEMS器件、晶體管、太陽能電池和光電二極管等?!盡cAlpine教授表示?!翱傮w來說,我們的結果展現了一些令人興奮的應用,包括通過幾何剪裁含有LED和多傳感器的設備,為研究神經回路的光遺傳學提供了新的工具?!?

同時3D打印有源電子元件與生物構建體可能導致新的仿生裝置的出現,比如通過光刺激神經細胞的假體植入物。

據研究團隊介紹,他們今后的工作將著重解決一些關鍵挑戰,其中包括:1)增加3D打印機的分辨率,使其能夠3D打印更小的設備;2)改進打印設備的性能和打印速度;3)集成其它類別的納米級功能,組成模塊和設備,包括半導體,電漿子(plasmonic)和鐵電物質(ferroelectric)等。

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