南科大孙小卫团队合作开发新型电沉积QD图案化技术

技术研究南方科技大学 2021-08-19 21:23

近日，南方科技大学电子与电气工程系讲席教授孙小卫团队与华星光电半导体显示技术有限公司、北京大学信息工程学院合作，开发了新型的选择性电沉积技术，实现了大于1000PPI的全色大面积量子点（QDs）图案化彩膜及高性能QLED器件的制备。相关研究成果以“Large-Area Patterning of Full-Color Quantum Dot Arrays Beyond 1000 Pixels Per Inch by Selective Electrophoretic Deposition”为题，在国际著名期刊《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表。

量子点材料具有尺寸可控、发射波长可调、发射光谱窄、发光效率高等优点，近年来受到了广泛关注。作为一种半导体功能材料，其在显示器件、照明器件、光伏太阳能电池、光电探测器等领域均具有巨大的应用潜力。到目前为止，各种各样的技术已经被应用于加工图案化和像素化的QD器件上，例如光刻、喷墨打印、Stamp转移、微接触打印、纳米压印等，但是这些方法分别存在着诸如紫外光和溶剂影响QD性能、加工工艺复杂、加工时间长、器件效率低、重复性差等缺点。因此，改进和发展新型量子点图案化技术对于QD的商业化应用是至关重要的。

研究团队受到偏振发光的量子棒有序化需要高频率交变电场驱动，否则将发生沉降现象的启发，通过分析发现，由无机半导体核和有机配体壳组成的胶体QDs，其配体可能在溶液中解离，因此QDs表面可能富含阴离子或阳离子，带电的QD可以在电场的作用下沉积到相反电性的电极上。基于此，研究团队利用高分辨率光刻微电极技术结合温和的电沉积技术开发了一种新型的QD选择性电沉积(SEPD)图案化技术，实现了单电极上高效、均匀、大面积的全色QD图案化薄膜制备。

通过合理的溶剂和配体设计，研究团队首先获得了单一电性的QDs，有效地避免了正负电极同时沉积以及多色量子点沉积时的交叉污染。所制备的QD薄膜具有可控的、均匀的特征尺寸（2μm—20μm），可以沉积成任意形状的图形，同时薄膜具有良好的形貌、有序的结构和良好的光学性能，其表面形貌、堆积密度和折射率（N=1.7-2.1）可以进行大范围的调整，从而获得不同条件下所需的量子点薄膜，并实现比传统溶液处理方法（旋涂和喷墨打印）更高的PL发光效率。通过调节电沉积电压和量子点浓度，可以在数纳米到数十微米的范围内精确调节图案化量子点薄膜的厚度。

进一步地，研究团队将具有不同发射特性的量子点集成到大面积阵列中，形成全色像素，并制备了高性能QLED电致发光器件。QLED的电流效率为77cd/A(G)和54 cd/A(R)，与现阶段喷墨打印的器件水平相当。溶剂和材料选择的普适性、结构的可控性和器件良好的性能表明，选择性电沉积技术(SEPD)是一种极具发展潜力的纳米粒子图形化加工技术。相关图案化薄膜可以同时满足不同尺寸的液晶显示器（LCD）、Blue OLED显示器和Blue micro-LED显示器的色转换层以及QLED自发光显示器的要求，同时适用于低分辨率、中分辨率和高分辨率的显示器件，相关技术在光伏器件和量子点探测器领域也具有巨大应用前景。