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基于量子点喷墨打印的多层可编程光谱防伪技术

发布时间:2022-11-24
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介绍

防伪技术在商业和国家公共安全领域有着 重要的作用,安全性高且操作方便的防伪系统一直是防伪领域的目标。随着世界经济的快速增长,特别是小企业、个体经营者和个人需求的快速增长,迫切需要发展低成本、制造简单、高度安全、个性化的防伪技术。喷墨印刷技术具有操作简单、制造周期短、设计灵活等优点,故研究提出了一种理想的喷墨印刷防伪系统,将包含不同信息的防伪标签由不同的荧光墨水打印在重叠区域上,不同标签上的信息只能通过紫外(UV)光下相应的带通滤波器看到,通过设计标记,合理控制喷墨打印过程的参数,可以很好地制备微型多层安全标签。

周胜副教授团队选择了涂覆一层硫化锌的不同荧光波长的CdSe/ZnS量子点作为量子点墨水,浓度均为5mg/ml,量子点的核壳结构确保了光致发光(PL)性能的高稳定性,提高了光学和电子性能,并且选用合适的紫外胶作为CdSe/ZnS量子点的溶剂,紫外胶可以从空气中分离出CdSe/ZnS量子点,提高PL的长期稳定性。量子点材料的量子效率波长为475nm的量子效率为85%,波长为529nm和628nm的量子效率约为90%。喷墨打印技术部分使用MicroFab的Jetlab Ⅱ喷墨打印系统制造防伪标签。

量子点油墨的透射电子显微镜(TEM)图像如图1所示。CdSe/ZnS量子点具有均匀的粒径,且可以均匀分布在紫外线粘合剂中,无聚集。对应的荧光波长如图1(d),所示PL测量的激发波长为300nm。随着粒子尺寸的增加,荧光有一个红移。由于上述独特的光学特性,量子点打印油墨在防伪方面具有广阔的应用前景。

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▲ 图1

图2显示了QD打印油墨固化前后的荧光光谱。发射峰不移动,发射光谱变化的强度很小,结果表明,固化并不影响量子点油墨的光学性能。

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▲ 图2

准确可控的小型化和高分辨率的防伪标签使用Jetlab Ⅱ喷墨打印系统制备,通过控制喷墨打印参数,准确控制打印。图3显示了喷墨打印系统在2kHz下产生和喷射液滴(喷嘴直径=60µm)。每个液滴都是一个像素,因此液滴大小决定了图案分辨率,可以通过使用不同直径的喷嘴或优化控制参数来获得不同大小的液滴。图4显示了喷嘴直径分别为20µm和80µm时产生的液滴。图4(a)中的液滴尺寸为21µm,图4(b)中的液滴尺寸为73µm。从插图可以看出,可以通过改变液滴的大小来调整打印图案的分辨率,因此,根据实际需要,通过选择不同的喷嘴直径,优化打印参数,可以灵活、准确地控制标签的微观程度和分辨率。

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▲ 图3

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▲ 图4

多层微型防伪标签的制作原理图如图5所示。使用CAD绘图软件,标签制作变得灵活和简单,Jetlab II喷墨打印系统根据标签的分辨率和应用尺寸要求,通过选择合适的喷嘴和优化打印参数,可以得到理想的液滴。在紫外光照射下,通过相应的带通滤光片显示每一层的防伪信息。在没有紫外线的情况下,研究团队甚至都找不到防伪标签,该技术显著提高了防伪技术的安全性。

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▲ 图5

多层QD防伪标签如图6所示,,用于打印“I”、“O”和“E”的QD的尺寸分别为6、7.2和9nm,在紫外激发下通过打印不同粒径的量子点制备的“IOE”清晰可见。“IOE”是一种在不同位置打印的图案,以显示量子点材料的喷墨打印结果。多层防伪标签在白天肉眼完全看不见,如图6(b).所示。由于三个CdSe/ZnS量子点同时发光,当选择相应的带通滤波器来识别信息时,在紫外光下都可以看到每一层的机密信息。滤光片的中心波长分别为630、530和470 nm。因此通过选择一系列不同波长的量子点,并使用相应的带通滤波器, 小面积可以加载大量的信息,在防伪领域具有良好的应用前景。

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▲ 图6

图7显示,研究团队可以通过调整打印参数,在一个小的区域内制作出非常复杂的防伪图案。实验结果表明,喷墨打印技术具有图案制作简单、操作方便、标签精度高、防伪安全性高等优点。

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▲ 图7

如图8所示,不同颜色量子点的荧光强度在一定时间内波动,但 大波动仅为7.5%。因此,可以忽略强度的波动。且量子点的荧光波长不移动,这为通过带通滤波器读取信息提供了强有力的支持。

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▲ 图8


结论

利用DOD喷墨打印技术,采用不同荧光波长的CdSe/ZnS量子点在重叠区域打印防伪信息以制备一种高安全性的防伪系统。使用了相应的带通滤波器,用于安全识别。根据实际要求,通过选择不同直径的喷嘴,优化打印参数,可以灵活、准确地控制标签的微观程度和分辨率。由于不同波长的量子点可以进一步携带信息,因此 小的面积可以加载高密度信息。综上所述,喷墨打印制备的防伪系统具有设计灵活、生产简单、安全性高、信息量大等优点,在防伪领域具有巨大的应用潜力。


参考文献:

[1] Hao Cui, Junwei Li, Kai Wei, Guosheng Zhang, and And Sheng Zhou, "Multi-layer programmable spectral anti-counterfeiting based on quantum dots inkjet printing," Opt. Express 30, 13106-13113 (2022)

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