濟南大學張玉海團隊ACS Nano：柔性透明的納米陶瓷閃爍體

研究背景

柔性透明納米復合材料由于其可見光范圍內無自吸收效應，使得光輸出量得到極大的提升，進而在包括x射線成像、可穿戴電子器件和立體顯示等諸多領域都引起了廣泛的關注。通過合理組合納米晶與復合基質，可以有效的提高光輸出量，實現柔韌性以及可調的多色發射等特性。通常納米復合材料的透明度會受到光吸收和光散射的影響。為了降低這種影響，常用策略是采用寬帶隙的納米顆粒以及減少納米晶的含量。然而，減少納米晶的添加量會嚴重降低復合材料的功能特性，反之則會影響納米復合材料的透明度和柔韌性。

文章亮點

為了解決這一工程性難題，近日，濟南大學先進發光材料課題組張玉海團隊在ACS Nano上發文，采用刮涂技術制備了柔性透明的?納米陶瓷復合膜，成功的實現了在~83 wt%的超高負載量下高達~89%的可見光透過率，且能保持很好的柔韌性。并以此為基礎，開發了柔性透明的高性能無鉛閃爍屏，通過普通X-ray光管（不需要同步輻射光源）實現了超高空間分辨率?4.1 μm（~122 lp/mm）。

內容介紹

圖1. 柔性透明陶瓷薄膜的制備及表征

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作者采用刮涂技術制備了柔性透明的?納米陶瓷復合膜，成功的實現了在~83 wt%的超高負載量下高達~89%的可見光透過率，且能保持很好的柔韌性。薄膜表面保持較好的平整度，沒有明顯的氣孔出現，納米顆粒密集的堆積在薄膜內部，PVA填充在空隙當中，起到粘連的作用。

圖2. 實時追蹤柔性透明陶瓷膜制備過程

通過對薄膜形成過程的實時追蹤，證明了納米顆粒與復合基體的折射率差是影響薄膜透明度的主要因素。通過比較納米顆粒在水中以及PVA中的散射截面，發現納米晶與基質之間的折射率差異越小，其散射截面也就越小。在干燥過程中，隨著水含量的減少，混合基質（水+PVA）的折射率逐漸從接近水（n=1.33）轉變到接近PVA（n=1.48），折射率差Δn從0.131逐漸減小到0.018。這使得瑞利散射效應被削弱，進而使得可見光透過率增加。

圖3. 基于瑞利散射理的模擬透射光及適用性的驗證

基于瑞利散射理論，模擬了不同粒徑和負載量的納米復合薄膜的透射光譜，預測了透明區域（大于80%）的存在，這為進一步篩選納米粒子提供了理論依據。通過設計不同納米晶種類，不同形態，不同粒徑以及不同含量的透明陶瓷薄膜，驗證了理論的適用性和可行性。

圖4. 柔性透明陶瓷膜閃爍屏

同時，作為一個概念驗證，作者利用Tb摻雜納米顆粒制備的復合薄膜被用作X-ray閃爍屏，展示了其與商業閃爍體LYSO相比擬的光產額以及檢測限，并在實驗室內實現了超高的空間分辨率?4.1 μm（~122 lp/mm）。

英文原題：Flexible and Transparent Ceramic Nanocomposite for Laboratory X-ray Imaging of Micrometer Resolution

通訊作者：張玉海，濟南大學

作者：張相周，石一涵，王曉佳，劉燁齊

作者簡介

張相周， 博士研究生，2020 年加入濟南大學張玉海教授團隊。主要研究方向為氟化物納米晶的宏量制備及其閃爍體方向的應用。以第一作者或共同作者身份發表SCI論文7篇，包括ACS nano，Adv. Opt. Mater.等知名學術期刊。

張玉海，教授，博士生導師，濟南大學前沿交叉科學研究院先進發光材料課題組組長。近年來，主要研究方向集中于鹵化物發光材料的開發與應用，在高質量超薄閃爍體屏方面進行了有益的探索，取得若干原創性成果。目前，以第一作者或通訊作者身份在國際著名學術期刊上發表 SCI 收錄論文 30 余篇,被引總計 3000 余次, h 因子為 25，包括?Nature Commun., Nature Nanotechnol., J.Am.Chem.Soc., Angew. Chem. Int. Ed.?等國際著名學術期刊。

課題組長期招聘發光材料或光學專業的博士后、講師、及副教授，有意向者聯系?ifc_zhangyh@ujn.edu.cn。

本文由作者供稿