导读
传统的光学防伪技术大多依赖于静态印刷图像，安全性较低，因此需要开发具有动态调制图案功能的新型防伪设备。近日，中山大学杨柏儒教授团队开发出了一种新型荧光电泳显示（EPD）技术。该团队通过在传统的电泳粒子TiO2上复合钙钛矿量子点(CsPbBr3)，制备了具备荧光特性的电泳粒子，并进一步研制了一种多功能防伪器件。该器件不仅具有快速响应、高对比度，而且能够呈现明亮的绿色荧光，为未来的动态防伪和识别提供了新思路。这项研究成果发表在《Light: Science & Applications》期刊上，论文题为“Fluorescent, multifunctional anti-counterfeiting, fast response electrophoretic display based on TiO2/CsPbBr3 composite particles”。中山大学电子与信息工程学院杨柏儒教授为该工作的通讯作者，中山大学电子与信息工程学院博士生刘广友为该工作的第一作者。此项研究得到了国家重点研发计划、科技部项目、广东省重点地区研发计划等项目的支持。
图1. 荧光电泳显示器的制备及其在多功能防伪器件上的应用。
研究背景
防伪技术在防止假冒产品和保护机密信息方面至关重要，其广泛应用于产品标签、护照、机密文件等领域。尽管光学防伪设备具有显示性能好、使用便捷和响应速度快等优点，单一功能的防伪技术存在容易被复制且安全性不够的问题。因此，需开发具备动态显示功能的防伪设备。电泳显示器件（EPD）因其低功耗、动态图像切换和高环境对比度的优势，成为动态防伪技术的理想选择。然而，目前商用EPD设备大多仅在可见光条件下工作，显示性能依赖于光源强度，限制了其在黑暗环境和非可见光条件下的应用。荧光电泳显示技术则能使EPD在紫外光下正常工作，拓展了传统EPD在紫外光场景中的应用可能。同时，通过结合反射和发射的双显示模式，可以实现多模式的动态防伪应用。
创新研究
本研究中，科研人员创新性地将CsPbBr3复合到TiO2电泳粒子上，制备出一种在环境光下呈白色、在紫外光下呈绿色的荧光电泳粒子。通过与TiO2颗粒的结合，该复合粒子具备高电荷、白度和强荧光效果，能够在电场作用下实现快速响应驱动。基于该材料，研究团队进一步开发出了一种荧光EPD器件，该器件具备350 ms的快速响应时间和17的高对比度。同时，该荧光EPD在电场和紫外光的双模式驱动，成功实现了器件的多功能防伪显示。荧光EPD在可见光下可呈现黑白态切换，而在紫外光照下可实现绿色和白色态切换，展现出优异的光学防伪性能。具体的工作内容和创新点如下：
图2. 荧光电泳显示器件的应用场景以及荧光电泳颗粒的制备示意图。
1.荧光电泳显示器件的应用场景以及荧光电泳颗粒的制备
目前的电泳显示器件主要依赖于太阳光、室内灯光以及背光源等可见光工作，这种光源依赖性限制了电泳显示器件在黑暗环境以及非可见光条件下的应用，如图2a 所示。针对这一问题，本研究提出可在紫外光下工作的荧光电泳显示器，未来有望在防伪设备中应用。本研究工作结合反射和自发光模式，引入兼顾主动发光显示和反射式显示双模式显示优势的荧光电泳粒子，使电泳显示器能在黑暗环境下正常工作。
本研究将钙钛矿量子点复合到电泳粒子TiO2上，并通过接枝聚合等方法制备了在电场下可以驱动的荧光电泳粒子，制备流程如图2b所示。TiO2颗粒表面富含羟基官能团，利于进一步的表面处理与接枝聚合。首先，将硅烷偶联剂与TiO2颗粒进行球磨处理，制备得到TiO2-MPS。随后，将钙钛矿量子点前驱体溶液加入到分散了TiO2颗粒的甲苯溶剂中，制备得到负载钙钛矿量子点CsPbBr3的TiO2复合粒子（TiO2/CsPbBr3）。最后，使用ABVN作为引发剂，在40℃的低温条件下，使 TiO2/CsPbBr3颗粒与聚合物单体聚合制备得到荧光电泳粒子TiO2/CsPbBr3-PLMA(TiO/CPB)。
图3. 荧光EPD在白、绿、黑三种状态下的原理图和照片。比例尺:1厘米。
2．荧光EPD
基于荧光电泳粒子，本研究制备了荧光电泳显示器。该器件能够在电场和紫外光照下实现双显示模式，在电场驱动下，器件可实现黑/白色切换；在紫外光驱动下，实现器件白/绿色切换。通过调控电压和外加紫外光光照，荧光电泳显示器件能够在黑、白、绿色态等多颜色切换。这种多模式切换有利于荧光 EPD 在动态防伪器件上的应用，明亮的荧光效果也有利于器件的彩色化驱动。荧光电泳器件兼顾了反射式与自发光的显示特性，拓展了电泳显示器件在动态防伪器件上的应用。
图4. 基于荧光EPD的动态防伪应用。
3．多功能防伪器件
最后，本研究工作基于荧光电泳显示器制备了防伪显示器件。该防伪器件采用多层结构设计，由顶部和底部ITO层以及带有图案化的OCA层组成。通过在数字“8”图案中的数字“5”区域填充荧光电泳分散液，而在其他区域填充普通电泳分散液，在可见光下，该EPD能够在30V电压下实现黑白数字“8”的切换。当白色粒子被驱动到ITO顶层时，可以通过切换紫外光，实现数字“5”图案的绿色状态和数字“8”图案的白色状态。荧光EPD技术拓展了EPD在动态防伪与多功能显示上的应用，有效提升了防伪安全性。该动态防伪器件在电场和紫外光照下可以实现其双模式显示，从而未来可以应用于智能防伪器件中。
未来展望
本研究基于TiO2/CsPbBr3复合粒子制备了荧光电泳颗粒，并进一步研制出了一种多功能防伪器件，该器件具备快速响应、通过控制电场和紫外光实现防伪设备的隐私可控、智能化、多功能动态显示等特点，具有相对较高的保密性。未来，该技术有望应用于更多显示器件领域，通过集成商业化的驱动电路，如无源矩阵（PM）或有源矩阵（AM），进一步提升其应用广度和安全性。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01526-x
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