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，中國科學技術(shù)大學莊濤濤研究員課題組和俞書宏院士研究團隊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)表在國際著名學術(shù)期刊《科學·進展》（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。手性科學對化學、物理和生物學等學科的發(fā)展起到巨大推動作用。近年來，精準構(gòu)筑新型手性功能結(jié)構(gòu)（Nat. Nanotechnol.2020, 15, 192–197）并實現(xiàn)其在多領(lǐng)域的實際應(yīng)用成為研究重點。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、量子計算、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用方法實現(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光學活性，導致基于CPL的柔性3D顯示器件尚未實現(xiàn)。

研究人員基于設(shè)計的限域螺旋共組裝策略，將具有強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1.6。相關(guān)材料的可加工性和高光學性能為后續(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。

研究人員利用點膠打印方式，實現(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尺度規(guī)模的CPL涂布。作者進一步優(yōu)化打印技術(shù)，在柔性基底上精準構(gòu)筑全彩像素點陣列，構(gòu)筑了柔性3D顯示面板。在制得的面板上，每個像素單元分別由左旋和右旋的紅綠藍三原色像素點組成，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，以期為虛擬現(xiàn)實、醫(yī)學成像和科學可視化等領(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、右旋材料實現(xiàn)的像素點陣列圖案；柔性可穿戴3D顯示器件；可穿戴式3D顯示設(shè)備顯示立體導航信息的概念設(shè)計圖。

審稿人評價稱：“這項工作有可能重塑多個行業(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智能交互的實現(xiàn)提供新途徑。

中國科學技術(shù)大學化學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研發(fā)計劃、國家自然科學基金、新基石科學基金會等項目的資助支持。

相關(guān)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi9944