前沿进展 | 实现具有高性能的超高分辨率QLED

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，福州大学李福山教授团队联合中科院宁波材料所钱磊研究员，巧妙地采用有序分子自组装技术（LB膜技术）和转移印刷技术相结合的方法，实现了每英寸9072-25400像素（PPI）的超高分辨率量子点发光二极管(QLED)。同时该工作首次提出在发光量子点像素之间嵌入蜂窝图案化的宽带隙非发光量子点层作为电荷阻挡层，从而实现了亮度高达262400 cd m^-2，且外量子效率为14.72%的超高分辨率QLED。

该项研究为同时实现具有高性能和超高分辨率的QLED器件开辟了一条全新的途径。相关研究成果以“Ultrahigh-resolution quantum-dot light-emitting diodes”为题，于2022年3月1日在线发表在Nature Photonics上。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

近年来，在“元宇宙”、智慧医疗等新兴概念的驱动下，下一代显示器为像素分辨率设定了更高的标准，以满足海量信息及增强现实 (AR) /虚拟现实 (VR) 显示等不断升级的应用需求。开发具有千级乃至万级PPI（每英寸所拥有的像素数目）、可在微小空间输出海量信息的极高分辨率显示器，是进入“元宇宙”的重要途径。QLED由于其优异的光电特性，如高色纯度、高发光效率等在照明显示领域具有广阔的应用前景，是实现高分辨显示的极佳选择。目前，QLED像素化图案的实现主要通过喷墨打印、光刻和转移印刷（TP）等技术来实现。其中，喷墨打印在生成几微米以下的QD像素方面面临着巨大的困难；光刻法生产的量子点像素不可避免地含有光刻胶残留物，这会阻碍电荷传输并导致器件性能下降；相比之下，TP技术可用于构建无有机残留物的超小像素。在之前的报道中，研究人员通过凹版TP技术构建了2460 PPI的QLED阵列，超高分辨率QLED也已通过浸入式TP技术得以实现。然而，之前通过TP技术实现的高分辨率 QLED 的器件性能要比非图案化器件低上至少一个数量级。这个现象可以主要归结为两个因素：（1）传统TP技术制备的超精细化QD像素阵列质量差，像素点不均匀；（2）由于空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL）之间的直接接触，在像素之间的非发光区域出现了较大的漏电流。如何在实现 QLED 高分辨率像素化的同时保持器件的高发光效率，仍然是一个关键瓶颈。

03 研究创新点

该工作巧妙地将Langmuir-Blodgett (LB) 技术与TP技术相结合，开发了一种新型的LB-TP方法（图1）。其中，LB技术实现了量子点的自组装成膜，即利用疏水性量子点表面烷基链配体的空间排斥效应将量子点均匀地组装成单层QD LB薄膜。而TP技术则是通过微结构的PDMS印章与QD LB薄膜接触，缓慢地将其从水中拉出并转印到相应的器件基板上，从而形成图案化的QD薄膜。

图1 LB-TP方法制备亚微米级QD发光层

与之前报道的转印（TP）工艺相比，LB-TP工艺表现出其独特的优势：无需对PDMS印章表面进行润饰，上墨过程避免了有机溶剂对PDMS印章的溶胀效应，从而实现了致密的自组装亚微米级量子点单层的拾取和释放，避免了传统转移印刷过程中纳米颗粒的不均匀沉积。研究团队通过这种方法成功制备出了像素密度高达25,400 PPI的超高分辨率QLED，这也是目前报道的显示器件中最高的像素密度之一。对于超小像素而言，抑制非发光区域的漏电流是一个巨大的挑战，因为很难在如此小规模的像素之间准确地嵌入电荷阻挡材料且不影响QD和传输层的界面接触。为了解决高分辨率 QLED的低性能问题，研究团队首次提出了一种抑制高分辨率QLED漏电流的新策略（图2）。

图2 蜂窝状电荷阻挡层的研究

该团队通过采用LB-TP工艺构建了宽带隙非发光QD组成的蜂窝状薄膜作为电荷阻挡层，而发光QD则恰好能嵌入到阻挡层的微孔中。这种均匀致密的阻挡层可以将ETL和HTL从直接接触中分离开来，从而有效地抑制了器件的漏电流并极大地提高了器件的发光效率。最终制备的高分辨率QLED器件的EQE高达14.72%，在8 V时的亮度为262400 cd/m²（图3）。与之前的研究相比较，该成果在高分辨率量子点显示方面获得了目前为止最佳的器件性能。

图3 R-B高分辨率QLED 器件的结构和表征

04 总结与展望

该研究团队提出了一种制备具有优异性能的超高分辨率QLED的简便策略，可以轻松制备出亚微米级像素的超高分辨率量子点发光二极管，其最高分辨率远远超越了人眼分辨率的极限。同时，该工作通过在发光量子点像素之间嵌入蜂窝状图案的非发光电荷阻挡层，极大地抑制了器件的漏电流，从而显著提升了器件的发光效率。该研究成果为实现具有高性能的超高分辨率发光显示开辟了一条全新的路线，并有望在未来进一步实现全彩显示。超高分辨率量子点发光二极管可应用于下一代“近眼显示”设备，如AR/VR头戴式显示器和智能眼镜等，从而开启通往“元宇宙”的新大门，具有广阔的应用前景。硕士研究生孟汀涛为该论文的第一作者，李福山教授和钱磊研究员为该论文的通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金委员会和中国福建光电信息科学与技术创新实验室的共同资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-00960-w

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编辑 | 方紫璇

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