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

 

量子點材料具有尺寸可控、發射波長可調、發射光譜窄、發光效率高等優點，近年來受到了廣泛的關注。作為一種半導體功能材料，其在顯示器件、照明器件、光伏太陽能電池、光電探測器等領域均具有巨大的應用潛力。

 

據介紹，到目前為止，各種各樣的技術已經被應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，加工工藝復雜，加工時間長，器件效率低，重復性差等缺點。因此，改進和發展新型量子點圖案化技術對于 QD 的商業化應用是至關重要的。

 

研究團隊受到偏振發光的量子棒有序化需要高頻率交變電場驅動，否則將發生沉降現象的啟發，通過分析發現，由無機半導體核和有機配體殼組成的膠體 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 可以在電場的作用下沉積到相反電性的電極上。

 

基于此，研究團隊利用高分辨率光刻微電極技術結合溫和的電沉積技術開發了一種新型的 QD 選擇性電沉積 (SEPD) 圖案化技術，實現了單電極上高效、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計，研究團隊首先獲得了單一電性的 QDs，有效地避免了正負電極同時沉積以及多色量子點沉積時的交叉污染。

 

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，同時薄膜具有良好的形貌、有序的結構和良好的光學性能，其表面形貌、堆積密度和折射率（N=1.7-2.1）可以進行大范圍的調整，從而獲得不同條件下所需的量子點薄膜，并實現比傳統溶液處理方法（旋涂和噴墨打印）更高的 PL 發光效率。通過調節電沉積電壓和量子點濃度，可以在數納米到數十微米的范圍內精確調節圖案化量子點薄膜的厚度。

▲ 電沉積制備全色 QD 圖案化薄膜陣列

 

進一步地，研究團隊將具有不同發射特性的量子點集成到大面積陣列中，形成全色像素，并制備了高性能 QLED 電致發光器件。

 

QLED 的電流效率為 77cd/A (G) 和 54 cd/A (R)，與現階段噴墨打印的器件水平相當。溶劑和材料選擇的普適性、結構的可控性和器件良好的性能表明，選擇性電沉積技術 (SEPD) 是一種極具發展潛力的納米粒子圖形化加工技術。

 

相關圖案化薄膜可以同時滿足不同尺寸的液晶顯示器（LCD）、Blue OLED 顯示器和 Bluemicro-LED 顯示器的色轉換層以及 QLED 自發光顯示器的要求，同時適用于低分辨率、中分辨率和高分辨率的顯示器件，相關技術在光伏器件和量子點探測器領域也具有巨大應用前景。這一研究成果是華星光電不斷在前沿技術領域探索與合作的又一碩果，同時選擇性電沉積對薄膜不均現象和咖啡環問題的顯著改善也是對噴墨打印技術的有力補充。

▲ 電沉積制備 QLED 性能表征

 

顯示技術創新中心趙金陽博士為本論文第一作者，創新中心電子化學材料部部長陳黎暄，北京大學張盛東教授和南科大孫小衛教授為該論文通訊作者。

 

相關研究得到了華星光電半導體顯示技術有限公司、TCL 工業研究院、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃和深圳市孔雀團隊項目的大力支持。