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NanoLED 被很多人看作下一代显示技术的有力候选,但量子点从实验室样品走向量产屏幕,中间还有不少难关,其中一个棘手问题,就是在加工海量微型像素时,保全发光材料本身。这也是过去很长一段时间里,不少研究团队都卡在这一步。
国内科研团队带来了新进展。相关论文发表在《自然・通讯》,团队开发出可逆光刻方案,在完成量子点图案成型的同时,恢复量子点大部分原始特性,缓解传统光刻工艺带来的性能衰减。
从实验数据就能感受到这项成果的分量。研究团队制备出电致发光器件,像素密度达到 21000 像素每英寸(ppp),最大外量子效率 17.08%。单个像素宽度只有 0.8 微米,这类超高密度像素,未来最适合 AR、VR 这类对清晰度要求极高的设备。
制造难点:加工像素时保护量子点
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想要读懂这项成果,我们需要从像素加工原理入手。屏幕红、绿、蓝子像素,依靠量子点精密排布。直接光刻是实现像素成型的方案之一:改性量子点材料,赋予其感光能力,让材料精准定位在预设区域。
但这套方案存在局限:想要维持图案稳定,就需要量子点表面配体发生交联。交联反应能成型像素,却会干扰电荷传输,等到器件发光阶段,性能就会下滑。这也是此前光刻方案很难落地的核心原因。
本次研究的亮点,就是让交联步骤可以反向操作。先用 310 纳米紫外光固定量子点图案;像素加工完成之后,再用 254 纳米深紫外辐射解除交联。说得通俗一点:加工像素时临时固定量子点,加工结束,配体就能回到接近初始的状态。
纳米像素器件:21000 ppp,外量子效率最高 17.08%
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研究先后尝试了几组像素尺寸,从 4.5 微米、1.4 微米,最终做到 0.8 微米。0.8 微米像素对应的像素间距约 1.21 微米,换算得到 21000 ppp 超高像素密度。
这套可逆工艺实实在在提升了器件表现。21000 ppp 器件亮度从 28769 cd/m² 提升至 49292 cd/m²,最大外量子效率(EQE)从 16.02% 提升至 17.08%。团队还测试了更大尺寸、不带纳米像素结构的器件,上限更高:5V 电压条件下,外量子效率 24.41%,亮度 125016 cd/m²。这里要注意,两组属于不同器件,更高参数不能直接套用在 21000 ppp 面板上,很多人容易混淆这点。
这项技术距离真正商用还有不少短板。本次实验 21000 ppp 器件只有绿色单色,还没有做出同分辨率完整 RGB 三色 NanoLED 屏幕;器件也没有搭载商用屏幕必备的 TFT、CMOS 驱动矩阵,无法单独控制每一个像素。不过这项研究已经证实,纳米尺度加工量子点发光器件时,像素加工不会破坏发光效率,搬开了挡在 NanoLED 技术发展路上的一块大石头。
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