圖形摘要

在數字光子學的背景下，像素是顯示或存儲信息的最小單位，并且不斷需要更小、更亮和更智能的像素。此外，需要適當的加密和認證技術來保護對存儲在像素中的數據的訪問，因為偽造已成為一個全球性問題。目前來自世界各地的研究人員正在進行對材料系統和設備架構的廣泛研究，以開發滿足這些要求的像素 在高級應用中使用的要求。

鈣鈦礦由于其強大的、可調的、高色純度光和電致發光，在全彩顯示應用中顯示出出色的潛力。此外，這些優異的光電性能可以低成本獲得，因為混合鈣鈦礦大多采用低溫溶液工藝。對于其他用于顯示應用的常用材料，如無機 III-V 半導體、膠體量子點和有機分子/聚合物，要同時滿足性能和成本并不容易。定義明確的制造技術對于此類實際應用至關重要；例如，混合鈣鈦礦優異的溶液加工性可以通過噴墨或電流體動力學噴射方法將彩色像素直接打印到大面積基板上。然而，打印的像素具有粗糙的空間分辨率，范圍從幾微米到幾十微米，遠大于它們發射光的衍射極限。更復雜的方法，如電子束光刻、光刻技術和納米壓印，已被用于制備鈣鈦礦的微米和納米圖案。然而，這些方法僅限于生產低縱橫比的薄膜像素，其發光亮度會因尺寸減小而顯著降低。盡管已經設計了一些基于物理氣相沉積的方法來生產平面鈣鈦礦結構，但與精確控制鈣鈦礦尺寸、位置和化學成分相關的技術挑戰仍未解決。

在這里，來自香港大學的研究人員報告了鈣鈦礦納米像素的納米級3D打印，具有編程的尺寸、位置和發射特性。研究人員的方案是使用飛秒激光引導的飛升彎液面結晶進行3D打印，如圖1所示，從而能夠超高密度地制造垂直獨立的紅色、綠色和藍色鈣鈦礦像素，橫向尺寸約為 550 nm，間距范圍為 5 到1.3 微米。

納米像素垂直方向的改變可對發光強度進行按需控制，如圖2所示。

此外，垂直按需打印過程提供了兩個關鍵優勢。首先，我們表明增加像素高度可以在不降低橫向分辨率的情況下提高發射亮度，從而可以形成具有更高亮度的高分辨率顯示設備。其次，像素高度可用作對數據進行編碼的附加維度，因為它無法通過景深有限的傳統寬視野顯微鏡進行定量訪問。

納米級3D打印具有生產超高分辨率彩色顯示器的潛力。特別是，可以利用納米級像素的飽和行為來實現均勻和高強度的發射。圖3a中的 FE-SEM 圖像顯示了一個“A”形 CH3NH3PbBr3 納米像素圖案，平均高度約為 5.4 μm（標準偏差 0.3 μm），大于其飽和高度（圖 2g），在石英襯底上制造.相應的 PL 圖像呈現出均勻強度的“A”形發射（圖 3b）。定量分析結果（圖 3c）顯示，這些納米像素的發射僅表現出 4% 的偏差，原因是它們 6.6% 的高度偏差。圖 3d-f 顯示了間距<1.5 μm 的雙色（G-B、R-B 和 R-G）納米像素的底視圖 PL 圖像和相應的強度分布。

值得注意的是，研究人員的方法為高密度像素集成提供了一種將間距控制到約 1.3 μm 的簡便方法。由于相鄰像素的腳之間不需要合并，因此在研究人員的打印配置中實現亞微米間距仍然是一個挑戰。圖 3g-j 中進一步展示了具有超小 (~1 μm) 發射點和微米間距 (<5 μm) 的設計多色顯示器。圖 3g,h 顯示了包含 R、G 和 B 飽和納米像素的“笑臉”的設計方案和相應的 PL 圖像。在另一個例子中，“LOVE”這個詞在圖 3i,j 中用三色飽和納米像素拼出。

研究人員還確定這些 3D 打印的鈣鈦礦納米像素可以作為多層防偽標簽的構建塊。第一級安全性源于它們的小尺寸；具體來說，這些亞微米直徑的納米像素在沒有高倍顯微鏡的幫助下是不可見的。第二個安全級別來自它們的熒光顏色信息，只有在紫外線激發時才可用。圖 4a 顯示了雙色 (R-G) 數據矩陣代碼，由 3D 打印的 CH3NH3PbI3 和 CH3NH3PbBr3 納米像素組成，在寬視場熒光顯微鏡下可視化。發光點表示“1”，而空點表示“0”。某些像素顏色的選擇允許創建兩個不同的二進制信息代碼。因此，R-G 矩陣代碼通過 R 帶通濾波器（圖 4b）形成單色 R 二進制代碼，從而對圖 4c 中所示的選定二進制信息進行解碼。類似地，通過 G 帶通濾波器獲得單色 G 二進制代碼（圖 4d、e）。

在該研究中，通過將鈣鈦礦納米像素的發光與像素高度的變化相結合，我們展示了多層次、高分辨率的防偽安全標簽。這項工作突出了 3D 打印作為制造智能、高性能光子設備的平臺的潛力。

本文來源：Three-Dimensional Perovskite Nanopixels for Ultrahigh-Resolution Color Displays and Multilevel Anticounterfeiting, Nano Lett. 2021, 21, 12, 5186–5194Publication Date:June 14, 2021，