中大新聞網(wǎng)訊（通訊員林銳娜）傳統(tǒng)的光學防偽技術大多依賴于靜態(tài)印刷圖像，安全性較低，因此需要開發(fā)具有動態(tài)調(diào)制圖案功能的新型防偽設備。近日，中山大學楊柏儒教授團隊開發(fā)出了一種新型熒光電泳顯示（EPD）技術。該團隊通過在傳統(tǒng)的電泳粒子TiO?上復合鈣鈦礦量子點(CsPbBr?)，制備了具備熒光特性的電泳粒子，并進一步研制了一種多功能防偽器件。該器件不僅響應快速、對比度高，而且能夠呈現(xiàn)明亮的綠色熒光，為未來的動態(tài)防偽和識別提供了新思路。這項研究成果以題為“Fluorescent, multifunctional anti-counterfeiting, fast response electrophoretic display based on TiO2/CsPbBr3 composite particles”發(fā)表在《Light: Science & Applications》期刊上，楊柏儒教授為通訊作者，博士生劉廣友為第一作者。此項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、科技部項目、廣東省重點地區(qū)研發(fā)計劃等項目的支持。
圖1熒光電泳顯示器的制備及其在多功能防偽器件上的應用
防偽技術在防止假冒產(chǎn)品和保護機密信息方面至關重要，廣泛應用于產(chǎn)品標簽、護照、機密文件等領域。光學防偽設備具有顯示性能好、使用便捷和響應速度快等優(yōu)點，但單一功能的防偽技術存在容易被復制且安全性不夠的問題。因此，需開發(fā)具備動態(tài)顯示功能的防偽設備。電泳顯示器件（EPD）因其低功耗、動態(tài)圖像切換和高環(huán)境對比度等優(yōu)勢，成為動態(tài)防偽技術的理想選擇。然而，目前商用EPD設備大多僅在可見光條件下工作，顯示性能依賴于光源強度，限制了其在黑暗環(huán)境和非可見光條件下的應用。熒光電泳顯示技術則能使EPD在紫外光下正常工作，拓展了傳統(tǒng)EPD在紫外光場景中的應用可能。同時，通過結合反射和發(fā)射的雙顯示模式，可以實現(xiàn)多模式的動態(tài)防偽應用。
本研究中，研究團隊創(chuàng)新性地將CsPbBr?復合到TiO?電泳粒子上，制備出一種在環(huán)境光下呈白色、在紫外光下呈綠色的熒光電泳粒子。通過與TiO?顆粒的結合，該復合粒子具備高電荷、白度和強熒光效果，能夠在電場作用下實現(xiàn)快速響應驅動。基于該材料，進一步開發(fā)出了一種熒光EPD器件，該器件具備350 ms的快速響應時間和17的高對比度。同時，該熒光EPD在電場和紫外光的雙模式驅動，成功實現(xiàn)了器件的多功能防偽顯示。熒光EPD在可見光下可呈現(xiàn)黑白態(tài)切換，而在紫外光照下可實現(xiàn)綠色和白色態(tài)切換，展現(xiàn)出優(yōu)異的光學防偽性能。具體的工作內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
圖2. 熒光電泳顯示器件的應用場景以及熒光電泳顆粒的制備示意圖
熒光電泳顯示器件的應用場景以及熒光電泳顆粒的制備
目前的電泳顯示器件主要依賴于太陽光、室內(nèi)燈光以及背光源等可見光工作，這種光源依賴性限制了電泳顯示器件在黑暗環(huán)境以及非可見光條件下的應用，如圖 2a 所示。針對這一問題，研究團隊提出可在紫外光下工作的熒光電泳顯示器，結合反射和自發(fā)光模式，引入兼顧主動發(fā)光顯示和反射式顯示雙模式顯示優(yōu)勢的熒光電泳粒子，使電泳顯示器能在黑暗環(huán)境下正常工作，未來有望在防偽設備中應用。
本研究將鈣鈦礦量子點復合到電泳粒子TiO2上，并通過接枝聚合等方法制備了在電場下可以驅動的熒光電泳粒子，制備流程如圖2b所示。TiO?顆粒表面富含羥基官能團，利于進一步的表面處理與接枝聚合。首先，將硅烷偶聯(lián)劑與TiO?顆粒進行球磨處理，制備得到TiO?-MPS。隨后，將鈣鈦礦量子點前驅體溶液加入到分散了TiO?顆粒的甲苯溶劑中，制備得到負載鈣鈦礦量子點CsPbBr?的TiO?復合粒子（TiO?/CsPbBr?）。最后，使用ABVN作為引發(fā)劑，在40℃的低溫條件下，使 TiO?/CsPbBr?顆粒與聚合物單體聚合制備得到熒光電泳粒子TiO?/CsPbBr?-PLMA(TiO/CPB)。
圖3.熒光EPD在白、綠、黑三種狀態(tài)下的原理圖和照片。比例尺:1厘米
熒光EPD
基于熒光電泳粒子，研究團隊制備了熒光電泳顯示器。該器件能夠在電場和紫外光照下實現(xiàn)雙顯示模式，在電場驅動下，器件可實現(xiàn)黑/白色切換；在紫外光驅動下，實現(xiàn)器件白/綠色切換。通過調(diào)控電壓和外加紫外光光照，熒光電泳顯示器件能夠在黑、白、綠色態(tài)等多顏色切換。這種多模式切換有利于熒光 EPD 在動態(tài)防偽器件上的應用，明亮的熒光效果也有利于器件的彩色化驅動。熒光電泳器件兼顧了反射式與自發(fā)光的顯示特性，拓展了電泳顯示器件在動態(tài)防偽器件上的應用。
圖 4. 基于熒光EPD的動態(tài)防偽應用
多功能防偽器件
研究團隊基于熒光電泳顯示器制備了防偽顯示器件，該防偽器件采用多層結構設計，由頂部和底部ITO層以及帶有圖案化的OCA層組成。通過在數(shù)字“8”圖案中的數(shù)字“5”區(qū)域填充熒光電泳分散液，而在其他區(qū)域填充普通電泳分散液，在可見光下，該EPD能夠在30V電壓下實現(xiàn)黑白數(shù)字“8”的切換。當白色粒子被驅動到ITO頂層時，可以通過切換紫外光，實現(xiàn)數(shù)字“5”圖案的綠色狀態(tài)和數(shù)字“8”圖案的白色狀態(tài)。熒光EPD技術拓展了EPD在動態(tài)防偽與多功能顯示上的應用，有效提升了防偽安全性。該動態(tài)防偽器件在電場和紫外光照下可以實現(xiàn)其雙模式顯示，未來可以應用于智能防偽器件中。該器件具備快速響應、通過控制電場和紫外光實現(xiàn)防偽設備的隱私可控、智能化、多功能動態(tài)顯示等特點，具有相對較高的保密性。未來，該技術有望應用于更多顯示器件領域，通過集成商業(yè)化的驅動電路，如無源矩陣（PM）或有源矩陣（AM），進一步提升其應用廣度和安全性。
原文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41377-024-01526-x
