玻璃中的钙钛矿量子点：光信息存储又出“新星”

光学信息存储要求材料具有长期稳定性、成本相对较低、环境影响小、响应速度快、可重写、存储容量大等特点，如金属纳米粒子、石墨烯和稀土发光材料等已有报道用于信息存储。

最近，华南理工大学材料科学与工程学院发光材料与器件国家重点实验室的董国平教授团队，利用玻璃中形成的钙钛矿量子点作为关键材料和可逆三维激光打印技术，实现了光学信息存储。他们的工作发表在《自然光子学》上。

光学信息存储材料的“新星”

董国平认为金属卤素钙钛矿(MHP)在光电器件应用领域有两个特点。

“首先，与传统半导体相比，MHP最大的优势在于它对缺陷的高度容忍。”

董国平告诉中国科学新闻，MHP的各种缺陷能级很少处于带隙中，因此缺陷对MHP的性能影响很小。多晶钙钛矿薄膜可以在低温下合成，即使有一定数量的缺陷，也可以用来制备高性能的光电器件。

此外，MHP具有很强的光吸收、长载流子扩散距离和高载流子迁移率，在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等光电器件领域有重要应用。"

“在这项工作中，我们首次利用飞秒激光实现了钙钛矿量子点的可控沉淀和透明玻璃中的三维图案化。”董国平说。

光擦除、热回收

该论文的第一作者、华南理工大学材料科学与工程学院博士生黄告诉《中国科学报》，由于玻璃的保护，钙钛矿量子点可以稳定地存在于玻璃中。有趣的是，飞秒激光辐照和热处理可以分别控制玻璃中钙钛矿量子点的发光猝灭和发光恢复。

黄说，这项工作使用的激光属于超短脉冲激光，或飞秒激光。

当超短脉冲激光聚焦在玻璃内部时，玻璃会通过非线性吸收超短脉冲激光的能量，使激光聚焦点的温度瞬间上升到数百甚至数千度。局部瞬时高温可使激光焦点处的原子移动并聚集形成晶核。在随后的低温热处理过程中，这些晶核可以作为籽晶在加热场的驱动下生长并形成钙钛矿量子点，此时可以“记录”信息。

由于钙钛矿量子点的光稳定性差，当用超短脉冲激光再次照射钙钛矿量子点时，钙钛矿量子点的结构将被破坏，产生大量的缺陷，最终导致发光猝灭，记录的信息将被“擦除”。

然而，再经过低温热处理后，钙钛矿量子点的结构和缺陷可以在热场的驱动下被修复，从而重新发光，从而信息可以被“恢复”。

黄介绍了钙钛矿量子点作为光信息存储材料的许多优点。例如，通过使用它们的高发光量子效率，可以容易地获得具有高信噪比的光信号。钙钛矿量子点的可逆发光可以实现信息的重复写入。然而，3D激光打印可以实现3D信息存储并提高信息存储容量。

“因为信息存储在玻璃内部，这种信息存储方法具有良好的稳定性。同时，利用钙钛矿量子点只能在特定波长激发下发光的特性，信息可以被加密。”黄对说道。

应用和环境保护需要时间来改善。

“该研究对于提高钙钛矿材料和器件的光学稳定性，恢复钙钛矿材料和器件的性能具有重要意义。”

董国平说，“与此同时，我们工作中使用的3D激光打印技术也为其他对光和热敏感的材料提供了3D图案化和可逆性能的可能性。”

董国平认为，在该玻璃体系中形成的钙钛矿量子点可以通过激光照射和热处理实现多周期的可逆发光，并且只能在特定波长的光激发下显示，因此在未来的信息存储、防伪等领域具有巨大的潜力。

董国平说，虽然这项工作仍处于基础研究阶段，距离应用还很远，但他们已经制定了下一步的工作计划，重点是提高透明玻璃中钙钛矿量子点的写入和擦除效率以及存储容量。

“在环境保护方面，钙钛矿量子点含有铅。尽管它们比镉基量子点毒性小，但仍有一定的毒性。然而，我们使用玻璃来固定和隔离钙钛矿量子点，这可以在一定程度上减少铅污染。我们还将开发无铅钙钛矿量子点玻璃，以减少和消除铅的含量。”董国平说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41566-019-0538-8