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河南大学团队研发电致发光显示器件,能用于可视化信息加密等领域

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信息加密,对于信息安全、国家公共安全和社会商业具有重要意义。但是,人类当前仍然面临大规模刺激解密设备、信息泄露和产品伪造等严峻挑战。

由 38 个国家组成的政府间国际经济组织——经济合作与发展组织报告显示,2022 年假冒伪劣产品的贸易价值已经达到 9900 亿美元左右,这无疑给信息加密的安全性提出了更高的要求。

事实上,各种信息加密和信息解密策略,包括发光加密芯片、水印、微激光阵列和图形条形码等,已经发展成为防止伪造和盗版的保护屏障。

但是,尽管此前人们已经提出一种发光加密芯片来存储和解密图案发光信息,但是只有达到一定的热安装解密条件下,才可以显示光学信息。

例如,以基于平版印刷和磁响应方法的光子防伪水印为例,它的工作原理是通过光刻方法,制备具有可变几何形状的钙钛矿微结构阵列,以此作为二维激光图案的加密和认证。但是,对于光学解密来说它还需要几何相关的激光阈值。

而基于多色发射油墨的发光编码图案,也已被用于防伪图形条形码。美中不足的是,只有在激光扫描共聚焦显微镜的辅助之下,才能显示出来编码的图案和图像。

由此可见,上述信息加密和信息解密技术往往严重依赖于外部仪器或设备,比如热装置、磁性仪器、激光、扫描共聚焦显微镜等。

同时,这些外部设备也限制了信息加密设备的灵活性和可移植性。所以,迫切需要开发一种无需外部仪器/设备的简单直观型可视化加密/解密技术。

作为发光发射方式之一,交流电致发光(AC-EL,alternating current-driven electroluminescent)具有发光均匀、设计方便、超长循环寿命等优点,是发光加密技术的重要替代方案。

目前,在大面积显示纺织品、电致发光等领域,交流电致发光装置受到广泛关注。

通常,AC-EL 器件由三个堆叠组件组成:两个工作电极、以及夹在两个电极之间的发射层。

然而,外部高压交流电源的需求,在很大程度上阻碍了其在便携式电子产品中的应用。因此,开发具有重量轻、成本低、高灵活性等优点的高压交流电源可谓非常重要。

幸运的是,摩擦纳米发电机(TENG,Triboelectric nanogenerators)可以有效地将不规则机械能转化为电能,并表现出良好的交流输出性能。

TENG 是一种重要的便携式高压交流电源,可直接为柔性可穿戴电致发光设备供电。

此前,河南大学教授和课题组成功开发了基于 TENG 和电致发光器件结合的自供电电致发光器件,该器件包含了图案电极、油墨注入银、激光诱导铜、以及高导电性的有机水凝胶。

在可穿戴式 TENG 驱动下,该器件成功实现了基于程控像素的动态电致发光发射的无线控制信息加密。


图 | 王新(来源:)

尽管目前已有科研团队将 AC-EL 器件与 TENG 集成在一起,并提出了一种自供电柔性显示器件。但是,这种器件仍然采用铜线等脆弱的电气连接方式,即将两个单独的 TENG 与 AC-EL 器件连接起来,以至于器件在完整性和便携性方面仍面临巨大困难。

为了进一步促进自供电柔性显示器件的发展,迫切需要一种无需不必要的电气互连(比如电线)的独立器件,来满足各种应用场景的需求。

电极,是 TENG 和 AC-EL 器件的核心部件。通过共用一个电极可以成功实现一个独立的集成自供电柔性显示器件。

为了实现电极的高导电性和柔韧性,其实人们已经探索过各种导电材料,比如银纳米线、单壁碳纳米管、导电有机水凝胶和液态金属。

不过,由于价格昂贵、制作复杂、环境稳定性弱,上述导电材料在柔性自供电柔性显示器件仍然面临一定的瓶颈。

而被称为 MXenes 的二维过渡金属碳化物和碳氮化物,具有高导电性、优异的耐久性、生物相容性和低成本的特点。基于溶液可加工 MXenes(Ti3C2Tx)的透明电极,具有高导电性和机械稳定性,非常适用于 AC-EL 显示器件。

更重要的是,作为一种高电负性材料,MXene 可以进一步提高 TENG 的输出性能。假如把 MXene 作为 TENG 和 AC-EL 器件的共享电极,将有助于独立集成一款自供电柔性显示器件,从而用于可穿戴光电器件、图案显示和可视化信息加密等领域。

基于此,该课题组提出一种基于一体化 MXene 电极的可穿戴式集成自供电电致发光显示器件(W-ELD,wearable integrated self-powered electroluminescent (EL) display device),以用于图案显示和信息加密/解密。

考虑到 TENG 和 AC-EL 器件的电极通用性,该团队将它们加以完全集成,采用一体化 MXene 作为共享电极,借此实现了 W-ELD 的制造,器件不需要任何电气互连包括电线的互连。

据介绍,一体化 MXene 电极具有高导电性、良好的透光率和机械柔韧性。此外,以 MXene 为工作电极的 MXene/silicone 摩擦纳米发电机具有良好的输出性能,开路电压为 290 V,短路电流为 24μA,最大功率密度为 0.9Wm−2。

同时,同样的一体化 MXene 电极也可作为 AC-EL 器件的工作电极之一,而 ZnS:Cu/聚偏氟乙烯-六氟丙烯薄膜则可作为发射层,夹在一体化 MXene 电极和柔性氧化铟锡电极之间。

该团队发现,由 MS-TENG 直接点亮的 AC-EL 器件,显示出明亮的蓝绿色发光,从而能够实现 W-ELD 的图案显示。

更有趣的是,他们探索出来一种基于 EL 发射的新型模式信息加密策略,并采用激光雕刻的方法对基于一半 MXene 共享电极的 AC-EL,加工出来了“中國”字样的共面电极。


(来源:Advanced Functional Materials)

当把导电电解质溶液,滴在 W-ELD 中的交流 EL 表面,就可以观察到“中國”型 EL 的发射,从而解密 W-ELD 中 MS-TENG 下隐藏的加密信息。

日前,相关论文以《基于一体化 MXene 信息加密电极的可穿戴式集成自供电电致发光显示器件》()为题发在 Advanced Functional Materials[1],ZhangSiyu 是第一作者,担任通讯作者。

图 | 相关论文(来源:Advanced Functional Materials)

总的来说,本次研究提出了一种基于 MXene/silicone 摩擦纳米发电机和共享 MXene 电极的集成器件。该器件具有良好的输出性能,非常适合图形显示和消息加密应用,有助于提高信息安全领域中光学信息加解密技术的水平,预计可以在开发可穿戴光电器件、可视化信息加密、人机交互和柔性显示等领域带来潜在应用。

参考资料:

1.Zhang, S., Zhu, Y., Xia, Y., Liu, K., Li, S., Yang, B., ... & Wang, X.(2023). Wearable Integrated Self‐Powered Electroluminescence Display Device Based on All‐In‐One MXene Electrode for Information Encryption.Advanced Functional Materials, 33(44), 2307609.

排版:罗以


01 / 科学家研发世界首例基于薄膜铌酸锂光芯片的超快锁模激光器,实现超短脉冲和高功率输出,峰值功率大于0.5瓦特04 /05 /


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