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“刚做这项研究时，我们发现在国内做高分辨率量子点发光二极管（High-resolution Quantum Dot Light Emitting Diodes）的工作不是很多，大部分研究都是韩国团队开展的，比如三星研究所、首尔大学等机构报道了相关的工作。”福州大学物理与信息工程学院教授李福山表示。
图 | 李福山团队（来源：该团队）
事实上不仅在 QLED 科研领域，即便在 QLED 产业领域，韩国团队一直走在世界前列。而同时担任教育部微纳显示工程研究中心主任的李福山，对于中国仍需加大力度发展 QLED 的感受更加深刻。
基于此，他和团队将此定位“耕耘目标”之一。2 月 28 日，相关论文以《超高分辨率量子点发光二极管》（Ultrahigh-resolution quantum-dot light-emitting diodes）为题，发表在 Nature Photonics 上。
图 | 相关论文（来源：Nature Photonics）
手机、电脑、电视等电子显示设备与人类生活息息相关，从 LCD 显示到 OLED，甚至到柔性显示、AR/VR 显示等。在技术迭代中，人们始终在追求画面质量更高的显示效果。当然，李福山认为画面质量不仅和数据本身的图像质量有关，还取决于显示屏的分辨率，后者的硬件环境决定着设备所显示图像精细程度的上限。
目前，在 20-30cm 的正常使用距离内，主流智能手机分辨率已经超过人眼的极限分辨率（约为 300PPI）。如果我们更近地使用手机，还是会看到画面颗粒感。因此，当下的手机显示屏技术无法满足目前发展迅猛的虚拟现实（VR，Virtual Reality）设备的需求。由于 VR 眼镜分辨率不足，我们在观看 VR 视频或玩 VR 游戏时，都可能会遇到如下现象：眼睛能直接看到显示屏像素点，好比隔着纱窗看东西一样，即“纱窗效应”。
当我们在 50cm 的距离看电脑、30cm 的距离玩手机时，人眼距离屏幕比较远、导致视场角较小，因此分辨不出屏幕像素点。然而，由于 VR 设备缩短了显示屏和人眼的距离，此时大多是水平 210°、垂直 100° 的视场角。而要想消除纱窗效应，视场角中每 1° 至少需要 60 个像素点，这意味着水平方向要有 12600 像素，垂直要有 6000 像素，即需要 12600×6000 的像素密度，这远远超过目前的主流的分辨率。
伴随着元宇宙概念的兴起，增强现实（AR，Augmented Reality）和 VR 技术的发展也得到进一步推进，而下一代显示器也为像素分辨率设定了更高的标准。因此，开发极高分辨率显示器是进入元宇宙的重要“利器”，这种显示器具有千级乃至万级 PPI（Pixels Per Inch，每英寸的像素数目）、可在微小空间输出海量信息。
李福山团队一直关注 QLED 等新型显示技术， QLED 具有优异的光电特性，比如高色纯度、高发光效率等，在照明显示领域具有广阔的应用前景。更重要的是，与其它显示技术相比，QLED 是基于纳米级量子点（QD，Quantum Dots）材料的发光器件，其性能理论上不受像素大小的影响，是实现超高分辨显示的极佳选择。
过去，韩国相关团队已通过转移印刷技术实现了高分辨率 QLED。然而，之前通过转印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一个数量级。这归因于两个主要因素：（1）传统转印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较大的漏电流。因此，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。
在该工作中，李福山团队利用有序分子自组装技术，制备出致密无缺陷的量子点单层膜。并结合转移印刷技术，实现了量子点图案化薄膜的均匀拾取和释放，从而避免传统转移印刷过程中纳米颗粒的不均匀沉积。其表示：“通过这种方法，我们制备出像素密度高达 25400PPI 的超高分辨率 QLED，这也是目前报道的显示器件中最高像素密度之一。”
事实上，高分辨率 QLED 一直存在非发光区域漏电的问题，原因在于我们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。为解决高分辨率 QLED 的低性能问题，李福山团队提出一种抑制高分辨率 QLED 漏电流的新策略，通过构建宽带隙非发光 QD 组成的蜂窝状薄膜来作为电荷阻挡层，这样一来发光 QD 恰好能嵌入到阻挡层的微孔中。
李福山介绍称：“这种均匀致密的阻挡层能有效抑制器件的漏电流并极大地提高器件的发光效率。简而言之，我们在开发新型亚微米级图案化技术基础上，也解决了高分辨率 QLED 的漏电流问题，实现了发光性能的突破。”
审稿人评价称：“作者提出了一种在像素之间嵌入蜂窝状电荷阻挡层的新策略。因此，具有超小像素尺寸的器件获得了较高的外量子效率（EQE，External quantum efficiency）和亮度，这是一个非常有趣和积极的结果。这项工作表明，与 OLED、无机 Micro-LED 等显示技术相比，QLED 技术在超高分辨率显示领域具有巨大的应用潜力。论文的原创性和意义都很好，手稿的数据和呈现也具有高质量。”
让高分辨率 QLED 器件发光效率提高数倍
起初，研究人员发现，关键是对传统转印技术予以改进，将其用在 QD 的超高分辨率图案化方面。采用传统转印技术制备的 QD 像素阵列，其像素大小通常在几微米到几十微米。如要进一步将像素大小精细化到亚微米级别，使用此前转印技术无法行通。简单来说，传统转印技术制备出的亚微米级像素阵列，存在薄膜质量差、像素点不均匀的问题。
而在当时，该课题组正在研究有机有序超薄分子膜（LB，Langmuir-Blodgett）。与纳米材料形成薄膜的其他方法比如旋涂、喷印、喷涂等相比，LB 技术具备通过自组装形成致密有序的单分子膜的独特优势。这让他们可以利用疏水性 QD 表面烷基链配体的空间排斥效应，将 QD 均匀地组装成单层量子点 LB 薄膜。而转印（TP，Transfer-Printing）技术则通过微结构的聚二甲基硅氧烷印章与 QD 薄膜接触，缓慢将其从水中拉出、并转印到相应的器件基板上，从而形成图案化的 QD 薄膜，这种巧妙结合的 LB-TP 方法如图 1 所示。
与之前报道的 TP 工艺相比，LB-TP 工艺具有其独特的优势：无需润饰聚二甲基硅氧烷印章的表面，上墨过程也可避免有机溶剂对印章的溶胀效应，从而实现致密的自组装亚微米级量子点单层的拾取和释放。
图1 | LB-TP 方法制备亚微米级 QD 发光层（来源：Nature Photonics）
李福山团队将亚微米级图案化的 QD 发光层，进一步制备成超高分辨率 QLED，并对器件效率进行测试。结果发现，这种图案化发光层的 QD 器件比非图案化 QLED 具有更大的漏电流，导致器件性能很低，如图 1f-j 所示。
“（不过）这是在意料之中的，（这说明我们）和以前所报道的高分辨 QLED 面临着同样的问题。如果不解决这个关键的漏电流问题，那么这项研究跟前人工作相比，也不能实现质的飞跃。”李福山表示。
因此，为了抑制器件的漏电流，需要进一步设计优化相关的实验方案。对于超小像素来说，很难精确地填入电荷阻挡材料至非发光区域。为此他们设计了一个与微柱结构相反的聚二甲基硅氧烷印章，利用它去转印电荷阻挡层材料（宽带隙 QD）之后，会形成蜂窝状图案的微坑。这时，只需要将发光 QD 嵌入微坑中，形成一个个发光的像素点，同时非发光区域也被电荷阻挡层覆盖，如图 2 所示。
基于此策略，该团队终于制备出基于电荷阻挡层的超高分辨率 QLED。测试器件的光电性能后，他们发现这种均匀致密的阻挡层，可以有效降低器件的漏电流，从而极大提高器件效率。与此前研究相比，具有高分辨率的 QLED 器件发光效率实现了数量级的提升。
图 2 | LB-TP 方法制备蜂窝状电荷阻挡层（来源：Nature Photonics）
用极高分辨率显示器，打开元宇宙之门
回顾研究过程，对量子点进行亚微米级的像素图案化这一步上，该团队耗时颇久，也经历了多次失败。他们当时一直在思考的问题是：怎样才能使亚微米级的 QD 图案转印完后仍是均匀的？
如果采用传统的接触印刷方法，那么转印手法和速度都很重要，像素在几十微米左右的尺寸上基本是可控的，但是当像素缩小到亚微米甚至更小尺寸时，转印技术就会面临巨大困难。
当时组内正好也在研究 LB 膜的自组装技术，此论文第一作者孟汀涛在偶然的机会中，尝试用带有微结构的聚二甲基硅氧烷印章去沾取 QD 的 LB 膜，结果发现 QD 可以被十分均匀地拾取至印章上，而且无需施加太大压力就能把 QD 像素阵列完整地转移到相应的基板上。李福山说：“对于这个发现，他自己可能整整兴奋了一天，因为经历了这么久的尝试，终于看到了希望。”
在应用上，超高分辨率 QLED 可用于下一代“近眼”设备，比如 AR 和 VR 应用的头戴式显示器和智能眼镜。可以说，想要打开元宇宙的大门，就需要能在微小空间里输出海量信息的极高分辨率显示器。
图 | 李福山（来源：李福山）
李福山表示：“该研究为我们后面的研发奠定了基础，是一个良好的开端。我们后续将研究如何实现 QLED 超小像素的全彩显示问题，因为在如此小的像素尺寸下尝试对齐 RGB 像素，对我们来说也是一个重大挑战。”
另外，为了在未来实现商业化，如何对单个发光像素点进行驱动并控制，也是一个极其关键又特别艰巨的任务。他补充称：“这些后续计划的实现仅仅依靠我们自己的力量是远远不够的，还需要和更多兄弟单位合作，包括高校、科研院所和企业，大家一起来解决这个难题。”
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参考：
1、Meng, T., Zheng, Y., Zhao, D. et al. Ultrahigh-resolution quantum-dot light-emitting diodes. Nat. Photon. 16, 297–303 (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-00960-w
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