近期，我校李越教授团队在高分辨率量子点显示研究领域取得重要进展，相关研究成果以《Ultrahigh-resolution nanoimprint patterning of quantum-dot light-emitting diodes via capillary self-assembly》（基于限域毛细力自组装的超高分辨率量子点发光二极管显示器件）为题发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）学术期刊。天津工业大学为该论文的第一完成单位和第一通讯单位，我校青年教师曹卫博士、博士研究生田森等为共同第一作者，我校李越教授、杨帆副教授和福州大学李福山教授为共同通讯作者。
图1. 基于毛细相互作用的超高分辨率纳米压印量子点图案化。（a）QD自组装纳米压印策略示意图。（b）不同制备方法性能对比。（c）PDMS纳米孔阵列模板SEM图。（d）不同周期PDMS纳米孔模板SEM图。（e）红色QD图案SEM图（P = 600 nm）。（f）红色QD图案的一维GISAXS数据。（g）超高像素密度QD图案SEM图。(h）像素尺寸分布统计图。（i）RGB三色QD图案荧光显微图。（j）多色QD阵列（RG/GB/RGB）荧光图。
随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及“元宇宙”概念的兴起，近眼显示技术已成为新一代信息交互的战略高地。为了彻底消除近眼观看时的“纱窗效应”并实现极致的沉浸体验，显示器件的像素密度迫切需要突破10,000PPI，以达到更好的视觉效果。回顾显示技术的发展历程，传统液晶显示（LCD）受限于背光结构，难以满足微显示对轻薄化和高对比度的严苛需求。而当前主流的有机发光二极管（OLED）虽然实现了自发光，但有机材料本质上的不稳定性导致其在超高亮度下易产生“烧屏”老化，且色纯度存在提升瓶颈。
图2. 不同量子点浓度下纳米压印量子点像素阵列的特性。（a，c，e）不同浓度（2，1，0.5 mg/mL）下的 QD 组装表征。（b，d，f）不同浓度（2，1，0.5 mg/mL）下 QD 阵列的荧光显微图。绿色（g）与蓝色（h）特定图案展示。（i）柔性 PET 基底上的高分辨率小熊猫图案（弯曲状态）。（j）基于商用TFT阵列的微型 QLED 主动矩阵原型显示效果。
相比之下，无机量子点发光二极管（QLED）凭借其窄半峰宽带来的极高色纯度、接近人眼极限的广色域以及优异的光热稳定性，被公认为最具竞争力的下一代终极微显示技术。2023年诺贝尔化学奖授予量子点发现者，更是从科学顶层确立了该类材料在光电领域的革命性地位。在产业端，以三星、TCL为代表的行业巨头已投入数百亿元布局QLED产线，试图抢占下一代显示技术的制高点。然而，产业界的宏大愿景目前正受阻于基础物理与制造工艺层面的双重瓶颈。当像素尺寸缩小至微米乃至纳米级（以适配超高PPI）时，QLED器件面临着“成本高”和“尺寸依赖效率滚降”等问题，严重影响未来高分辨率高端显示的研发和商业化。
图3. 超高分辨率红色和绿色纳米QLED的特性。（a）超高分辨率纳米QLED器件结构示意图。（b）器件能级图。（c）红色与绿色纳米QLED的电致发光（EL）图。（d-f）不同PPI红色纳米 QLED 的性能曲线。包括EL光谱、电流密度-电压（J-V）以及外量子效率-亮度（EQE–L）特性。（g-i）不同PPI绿色纳米QLED的性能曲线。分别对应EL光谱、J-V以及EQE–L特性曲线。（j,k）不同PPI器件与旋涂法参考器件的EQE对比。
在此背景下，研究团队发展了毛细力限域自组装量子点序构策略，实现了超高分辨率的QLED的高效构筑，为解决上述成本与效率滚降问题提供了一条极好的技术路径。研究团队提出了一种基于纳米孔阵列模板的纳米压印策略，利用模板纳米孔毛细力诱导量子点纳米限域自组装，成功实现了纳米级超高分辨率QLED器件的制造。该策略采用的纳米孔模板，可以重复使用，极大地降低制造成本。该方法可将像素尺寸缩小至约70nm，像素密度可高达169,333PPI，该量子点发光器件的像素尺寸是目前报道最小值，像素密度是目前报道最高值。得益于发光量子点单层的紧密序构堆积，所制备的超高像素密度QLED器件表现出极微弱的像素单元尺寸依赖性能衰减，其中最小像素尺寸70nm的红、绿、蓝三色器件仍分别保持了17.0%、10.5%和5.7%的平均外量子效率（EQE）。在此基础上，研究团队进一步展示了该技术在柔性基底上的兼容性，并成功实现了高分辨率全彩量子点阵列的图案化。该研究提供了一种低成本构筑高效率与超高分辨率纳米QLED阵列的强有力新方法，为下一代显示技术的发展开辟了新路径。
图4. 不同类型高分辨率LED的平均EQE和EL面积比较。（a）本工作与其他工作在平均EQE﹑像素密度和像素尺寸的性能对比。（b）本工作与其他工作在电致发光面积的对比。
该工作得到国家自然科学基金、天津工业大学沧州研究院项目等资助支持。李越教授团队构建了集材料制备、性能测试、结构表征与理论计算于一体的研究体系，与国内外多所高校保持深度合作，积极推动实验室成果转化，持续为功能序构材料与光电器件创新贡献力量。团队已在Nat.Photon.，Nat.Commun.，Chem.Soc.Rev.，Prog.Mater.Sci.，J.Am.Chem.Soc.，Adv.Mater.，Angew.Chem.等期刊累计发表SCI论文200余篇。
（审稿：物理科学与技术学院 成玲 编辑：党委宣传部 柳婷）
图片来源：物理科学与技术学院