简单的圆珠笔也能写出定制的 LED

麦凯威工程学院的赵俊毅演示用一支简单的圆珠笔在纸上书写定制的 LED（左图）。同样的笔还可以用来在铝箔上绘制多彩图案（右上角），以及创作发光草图（右下角）。资料来源：王实验室

印刷机的发明彻底改变了文字的复制方式，让疲惫的抄写员的双手得以休息，也让人们更容易获得书面材料。在圣路易斯华盛顿大学麦凯威工程学院，类似的突破也发生了逆转。

与电气与系统工程副教授王川合作的研究人员开发出了墨水笔，可让个人在日常材料（包括纸张、纺织品、橡胶、塑料和三维物体）上手写柔性可伸缩光电设备。用于发射和探测光的柔性光电器件已经出现在智能手机和健身追踪器等日常物品中，它们可以弯曲、折叠和屈曲，同时保持功能。

在发表于《自然-光子学》（Nature Photonics）的一篇论文中，该团队报告了他们简单而多用途的制造方法，让任何人都能制造出定制的发光二极管（LED）或光电探测器，而无需任何专业培训或笨重的设备。这项新的手持制造技术建立在Wang和第一作者、Wang实验室的博士候选人赵俊毅早先的工作基础上，他们在这项工作中展示了一种用简单的喷墨打印机制造可拉伸LED的新方法。

"手写定制设备显然是打印机之后的下一步，"Wang 说。"我们已经有了墨水，所以很自然地就可以把我们已经开发出来的技术，修改成可以在普通圆珠笔上使用的技术，这样既便宜又人人都能使用"。

 

a, 制作垂直（左）或横向（右）结构的包晶光电器件的通用手写方法示意图。b, 上图：使用商用圆珠笔在纸基板上逐层书写制备 PeLED 的步骤，包括 (1) 书写 PEDOT:PSS 底电极，(2) 书写包光体发光层，(3) 书写聚乙烯亚胺（PEI）缓冲层和 (4) 书写银纳米线（AgNW）顶电极。中图：PEDOT:PSS 底部电极的手写过程特写。左下图和右下图：装有配制墨水的圆珠笔的放大图。c, 纸质基底上具有代表性的手写 PeLED 的等距视图 SEM 图像。d, 显示手写 PeLED 在一张未经处理的原始打印纸上弯曲时发出的 EL 的图像，由 3.6 V 纽扣电池供电。e, MAPb(Cl1-x/Brx)3、MAPbBr3、MAPb(Brx/I1-x)3 和 MAPbI3 薄膜的归一化 PL 光谱和相应的荧光照片。f，铝箔上的多色发光体照片，使用的圆珠笔分别填充了 MAPbBr1.36I1.64（红色）、MAPbBr3（绿色）和 MAPbCl1.33Br1.67（蓝色）墨水，没有（顶部）和有（底部）紫外线照射。g,h, 纸质基底上手写 PeLED 的 EL 照片，显示文字 "WUSTL"（g）和多色几何图形（h）。比例尺为 1 毫米。资料来源：《自然-光子学》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41566-023-01266-1

 

该团队采用环保、创新的手写方法，使个人能够在短短几分钟内制造出多色发光二极管和光电探测器。该技术利用圆珠笔的简便性，在笔中注入由导电聚合物、金属纳米线和被称为殒石的结晶材料制成的特殊设计的墨水，从而产生广泛的发射颜色光谱。

通过一层一层地书写这些功能性墨水，就像使用五颜六色的笔一样，可以廉价、轻松、快速地制造出各种功能性设备，包括一次性电子产品（如智能包装）和个性化可穿戴设备（如生物医学传感器）。

虽然研究小组已经开发出了可打印墨水，但要将其转化为可用于在日常材料上手写的标准圆珠笔，还需要进行一些调整，以控制润湿性和提高可书写性。最重要的是，赵必须确保墨水能在纸张和纺织品等多孔和纤维基质上使用，而不会流淌或混合。除了避免弄脏设计造成的美感缺失外，墨层还必须保持离散，以确保光电设备的功能性和高性能。

"赵说："从打印机到圆珠笔的转换看似简单，但实际上比简单地装载墨水要复杂得多。

"我们的墨水是专门配制的，因此圆珠笔是通用的，这意味着它们可以在几乎所有的基底上使用。设备的每个单层都被设计成具有内在弹性，因此可以承受变形，可以弯曲、拉伸和扭曲而不影响设备性能。例如，绘制在手套上的发光二极管可以承受反复握拳和松开拳头造成的变形，而绘制在橡胶气球上的发光二极管可以经受住一次又一次的充气-放气循环。

能在从纸张到派对气球等各种基底上工作的墨水笔的问世，克服了传统 LED 制造的关键限制，特别是对平整光滑基底的要求和成本高昂的无尘室制造设备，为下一代可穿戴电子产品以前所未有的方式渗透到日常生活中打开了大门。

Wang 展望未来手写电子产品的应用将受限于用户的想象力。其直接用途包括教育和科普、电子包装和服装、医疗传感器和绷带。

"廉价、可定制的 LED 为实践教育、更生动的纺织品（如发光服装或贺卡）和智能包装提供了机会，"Wang 说。"我们非常期待的一个领域是医疗应用。手写光发射器和探测器在创建可穿戴生物医学传感器和绷带方面具有更多针对病人的灵活性，这些传感器和绷带上可以绘制光电探测器和红外 LED，用于测量脉搏血氧饱和度或加速伤口愈合。

研究人员说，这种方法的易用性和灵活性可以使电子制造民主化，使定制的可拉伸电子设备成为日常生活的一部分。
 

参考资料

Junyi Zhao et al, Handwriting of perovskite optoelectronic devices on diverse substrates, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01266-1

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