柔性3D顯示在下一代可穿戴、智能電子科技領(lǐng)域具有重要意義。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)莊濤濤研究員課題組和俞書宏院士研究團(tuán)隊(duì)在可打印的手性圓偏振發(fā)光材料及其柔性3D圖像顯示應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Processable circularly polarized luminescence material enables flexible stereoscopic 3D imaging”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Sci. Adv.2023,9, eadi9944）上。

手性是自然界中一種重要的幾何構(gòu)象，能夠顯著影響物質(zhì)性能。手性科學(xué)對化學(xué)、物理和生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用。近年來，精準(zhǔn)構(gòu)筑新型手性功能結(jié)構(gòu)（Nat. Nanotechnol.2020, 15, 192–197）并實(shí)現(xiàn)其在多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用成為研究重點(diǎn)。例如，手性發(fā)光材料具有圓偏振發(fā)光特性（circularly polarized luminescence, CPL），在3D顯示、自旋電子學(xué)、量子計(jì)算、信息安全以及生物檢測與治療等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

傳統(tǒng)的3D顯示通過線性偏振復(fù)用方法實(shí)現(xiàn)：分別向左眼與右眼呈現(xiàn)具有偏振狀態(tài)的圖像，為觀看者呈現(xiàn)3D效果。然而，由于線偏振光的相互垂直偏振取向，導(dǎo)致相關(guān)3D顯示技術(shù)的觀察視角受限、對比度差。具有特殊光學(xué)性質(zhì)的圓偏振光在減少感知失真和提高對比度方面具有巨大潛力，為開發(fā)和優(yōu)化3D顯示技術(shù)提供可能性。通過將CPL材料印刷在柔性基底表面，可以大規(guī)模制造高性能的全彩3D顯示面板。然而，目前的CPL材料難以兼具可加工性能和高CPL光學(xué)活性，導(dǎo)致基于CPL的柔性3D顯示器件尚未實(shí)現(xiàn)。

研究人員基于設(shè)計(jì)的限域螺旋共組裝策略，將具有強(qiáng)CPL特性的手性材料前驅(qū)體封裝到聚合物殼層中，制備了一系列發(fā)光顏色可調(diào)的CPL光子涂料（CPL-active photonic paints, CPL-PPs，圖1）。該類核殼手性結(jié)構(gòu)的最大發(fā)光不對稱因子（glum，用于評估CPL性能，其理論最大絕對值為2）高達(dá)1.6。相關(guān)材料的可加工性和高光學(xué)性能為后續(xù)應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

圖1. 手性核殼微球的結(jié)構(gòu)及其圓偏振發(fā)光示意圖；RGB圓偏振發(fā)光光子涂料；圓偏振發(fā)光光譜。

研究人員利用點(diǎn)膠打印方式，實(shí)現(xiàn)了CPL-PPs在多種基底上的圖案定制；并通過噴墨打印展示了米級(jí)尺度規(guī)模的CPL涂布。作者進(jìn)一步優(yōu)化打印技術(shù)，在柔性基底上精準(zhǔn)構(gòu)筑全彩像素點(diǎn)陣列，構(gòu)筑了柔性3D顯示面板。在制得的面板上，每個(gè)像素單元分別由左旋和右旋的紅綠藍(lán)三原色像素點(diǎn)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的CPL發(fā)射。通過向左眼和右眼呈現(xiàn)具有正交圓偏振狀態(tài)的不同圖像，促使觀察者在腦海中形成3D立體顯示（圖2）。研究人員還提出了將柔性3D顯示面板整合到智能手表等可穿戴設(shè)備中的概念化設(shè)計(jì)，以期為虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)學(xué)成像和科學(xué)可視化等領(lǐng)域提供新思路。

圖2. 柔性3D顯示面板顯示原理；柔性3D顯示面板像素基元；交替打印左、右旋材料實(shí)現(xiàn)的像素點(diǎn)陣列圖案；柔性可穿戴3D顯示器件；可穿戴式3D顯示設(shè)備顯示立體導(dǎo)航信息的概念設(shè)計(jì)圖。

審稿人評價(jià)稱：“這項(xiàng)工作有可能重塑多個(gè)行業(yè)，并改變?nèi)祟惻c視覺信息之間的感知和交互方式。（This work has the potential to reshape multiple industries and transform how we perceive and interact with visual information.）”。該類高性能可打印圓偏振發(fā)光結(jié)構(gòu)有望為3D智能交互的實(shí)現(xiàn)提供新途徑。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系博士生張銘江與郭啟為共同第一作者。我校莊濤濤研究員和俞書宏院士為共同通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、新基石科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目的資助支持。

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