中国科大在圆偏振发光的柔性3D显示研究获得进展

柔性3D显示在下一代可穿戴、智能电子科技领域具有重要意义。近日，中国科学技术大学庄涛涛研究员课题组和俞书宏院士研究团队在可打印的手性圆偏振发光材料及其柔性3D图像显示应用方面取得重要进展。相关成果以“Processable circularly polarized luminescence material enables flexible stereoscopic 3D imaging”为题发表在国际著名学术期刊《科学·进展》（Sci. Adv.2023,9, eadi9944）上。

手性是自然界中一种重要的几何构象，能够显著影响物质性能。手性科学对化学、物理和生物学等学科的发展起到巨大推动作用。近年来，精准构筑新型手性功能结构（Nat. Nanotechnol.2020, 15, 192–197）并实现其在多领域的实际应用成为研究重点。例如，手性发光材料具有圆偏振发光特性（circularly polarized luminescence, CPL），在3D显示、自旋电子学、量子计算、信息安全以及生物检测与治疗等领域发挥着重要作用。

传统的3D显示通过线性偏振复用方法实现：分别向左眼与右眼呈现具有偏振状态的图像，为观看者呈现3D效果。然而，由于线偏振光的相互垂直偏振取向，导致相关3D显示技术的观察视角受限、对比度差。具有特殊光学性质的圆偏振光在减少感知失真和提高对比度方面具有巨大潜力，为开发和优化3D显示技术提供可能性。通过将CPL材料印刷在柔性基底表面，可以大规模制造高性能的全彩3D显示面板。然而，目前的CPL材料难以兼具可加工性能和高CPL光学活性，导致基于CPL的柔性3D显示器件尚未实现。

研究人员基于设计的限域螺旋共组装策略，将具有强CPL特性的手性材料前驱体封装到聚合物壳层中，制备了一系列发光颜色可调的CPL光子涂料（CPL-active photonic paints, CPL-PPs，图1）。该类核壳手性结构的最大发光不对称因子（glum，用于评估CPL性能，其理论最大绝对值为2）高达1.6。相关材料的可加工性和高光学性能为后续应用奠定了良好基础。

图1. 手性核壳微球的结构及其圆偏振发光示意图；RGB圆偏振发光光子涂料；圆偏振发光光谱。

研究人员利用点胶打印方式，实现了CPL-PPs在多种基底上的图案定制；并通过喷墨打印展示了米级尺度规模的CPL涂布。作者进一步优化打印技术，在柔性基底上精准构筑全彩像素点阵列，构筑了柔性3D显示面板。在制得的面板上，每个像素单元分别由左旋和右旋的红绿蓝三原色像素点组成，能够实现稳定的CPL发射。通过向左眼和右眼呈现具有正交圆偏振状态的不同图像，促使观察者在脑海中形成3D立体显示（图2）。研究人员还提出了将柔性3D显示面板整合到智能手表等可穿戴设备中的概念化设计，以期为虚拟现实、医学成像和科学可视化等领域提供新思路。

图2. 柔性3D显示面板显示原理；柔性3D显示面板像素基元；交替打印左、右旋材料实现的像素点阵列图案；柔性可穿戴3D显示器件；可穿戴式3D显示设备显示立体导航信息的概念设计图。

审稿人评价称：“这项工作有可能重塑多个行业，并改变人类与视觉信息之间的感知和交互方式。（This work has the potential to reshape multiple industries and transform how we perceive and interact with visual information.）”。该类高性能可打印圆偏振发光结构有望为3D智能交互的实现提供新途径。

中国科学技术大学化学系博士生张铭江与郭启为共同第一作者。我校庄涛涛研究员和俞书宏院士为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、新基石科学基金会等项目的资助支持。

相关链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi9944