創(chuàng)新中心聯(lián)合南科大，北大近日以“Large-AreaPatterning of Full-Color Quantum Dot Arrays Beyond 1000 Pixels Per Inch bySelective Electrophoretic Deposition”為題，在國(guó)際著名期刊《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表相關(guān)研究論文。

 

量子點(diǎn)材料具有尺寸可控、發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)、發(fā)射光譜窄、發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛的關(guān)注。作為一種半導(dǎo)體功能材料，其在顯示器件、照明器件、光伏太陽能電池、光電探測(cè)器等領(lǐng)域均具有巨大的應(yīng)用潛力。

 

據(jù)介紹，到目前為止，各種各樣的技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于加工圖案化和像素化的 QD 器件上，例如光刻、噴墨打印、Stamp 轉(zhuǎn)移、微接觸打印、納米壓印等，但是這些方法分別存在著諸如紫外光和溶劑影響 QD 性能，加工工藝復(fù)雜，加工時(shí)間長(zhǎng)，器件效率低，重復(fù)性差等缺點(diǎn)。因此，改進(jìn)和發(fā)展新型量子點(diǎn)圖案化技術(shù)對(duì)于 QD 的商業(yè)化應(yīng)用是至關(guān)重要的。

 

研究團(tuán)隊(duì)受到偏振發(fā)光的量子棒有序化需要高頻率交變電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，否則將發(fā)生沉降現(xiàn)象的啟發(fā)，通過分析發(fā)現(xiàn)，由無機(jī)半導(dǎo)體核和有機(jī)配體殼組成的膠體 QDs，其配體可能在溶液中解離，因此 QDs 表面可能富含陰離子或陽離子，帶電的 QD 可以在電場(chǎng)的作用下沉積到相反電性的電極上。

 

基于此，研究團(tuán)隊(duì)利用高分辨率光刻微電極技術(shù)結(jié)合溫和的電沉積技術(shù)開發(fā)了一種新型的 QD 選擇性電沉積 (SEPD) 圖案化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單電極上高效、均勻、大面積的全色 QD 圖案化薄膜制備。

▲ 電沉積制備 QD 圖案化薄膜的形貌和尺寸特征

 

通過合理的溶劑和配體設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)首先獲得了單一電性的 QDs，有效地避免了正負(fù)電極同時(shí)沉積以及多色量子點(diǎn)沉積時(shí)的交叉污染。

 

所制備的 QD 薄膜具有可控的、均勻的特征尺寸（2μm—20μm），可以沉積成任意形狀的圖形，同時(shí)薄膜具有良好的形貌、有序的結(jié)構(gòu)和良好的光學(xué)性能，其表面形貌、堆積密度和折射率（N=1.7-2.1）可以進(jìn)行大范圍的調(diào)整，從而獲得不同條件下所需的量子點(diǎn)薄膜，并實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)溶液處理方法（旋涂和噴墨打?。└叩?PL 發(fā)光效率。通過調(diào)節(jié)電沉積電壓和量子點(diǎn)濃度，可以在數(shù)納米到數(shù)十微米的范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)圖案化量子點(diǎn)薄膜的厚度。

▲ 電沉積制備全色 QD 圖案化薄膜陣列

 

進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)將具有不同發(fā)射特性的量子點(diǎn)集成到大面積陣列中，形成全色像素，并制備了高性能 QLED 電致發(fā)光器件。

 

QLED 的電流效率為 77cd/A (G) 和 54 cd/A (R)，與現(xiàn)階段噴墨打印的器件水平相當(dāng)。溶劑和材料選擇的普適性、結(jié)構(gòu)的可控性和器件良好的性能表明，選擇性電沉積技術(shù) (SEPD) 是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ募{米粒子圖形化加工技術(shù)。

 

相關(guān)圖案化薄膜可以同時(shí)滿足不同尺寸的液晶顯示器（LCD）、Blue OLED 顯示器和 Bluemicro-LED 顯示器的色轉(zhuǎn)換層以及 QLED 自發(fā)光顯示器的要求，同時(shí)適用于低分辨率、中分辨率和高分辨率的顯示器件，相關(guān)技術(shù)在光伏器件和量子點(diǎn)探測(cè)器領(lǐng)域也具有巨大應(yīng)用前景。這一研究成果是華星光電不斷在前沿技術(shù)領(lǐng)域探索與合作的又一碩果，同時(shí)選擇性電沉積對(duì)薄膜不均現(xiàn)象和咖啡環(huán)問題的顯著改善也是對(duì)噴墨打印技術(shù)的有力補(bǔ)充。

▲ 電沉積制備 QLED 性能表征

 

顯示技術(shù)創(chuàng)新中心趙金陽博士為本論文第一作者，創(chuàng)新中心電子化學(xué)材料部部長(zhǎng)陳黎暄，北京大學(xué)張盛東教授和南科大孫小衛(wèi)教授為該論文通訊作者。

 

相關(guān)研究得到了華星光電半導(dǎo)體顯示技術(shù)有限公司、TCL 工業(yè)研究院、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃和深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的大力支持。