近日，南方科技大學電子與電氣工程系副教授陳樹明課題組提出一種基于微腔光場調(diào)控技術(shù)的全彩色量子點發(fā)光二極管（QLED）顯示的方法，實現(xiàn)了分辨率高達1700 像素每英寸（ppi）的全彩色QLED顯示陣列，并可進一步提高至8000 ppi。
相關(guān)研究成果“Ultrahigh Resolution Pixelated Top-Emitting Quantum-DotLight-Emitting Diodes Enabled by Color-Converting Cavities“以封面文章的形式發(fā)表在學術(shù)期刊Small Methods上，并被列入“編輯精選（Editor’s Choice）“。
基于II-VI族半導體CdSe的QLED具有發(fā)光效率高、發(fā)光色彩可調(diào)、色彩鮮艷、結(jié)構(gòu)簡單、可溶液加工等優(yōu)點，是下一代新型顯示的有力競爭者，在低成本、大面積、廣色域、柔性、印刷顯示等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。為實現(xiàn)全彩QLED顯示，必須對量子點發(fā)光層進行精細的圖形化，以形成肩并肩并行排列的紅、綠、藍QLED像素陣列。
目前已開發(fā)的技術(shù)，例如噴墨打印、印章轉(zhuǎn)印、光刻等，都是直接對量子點進行圖形化，即直接對量子點發(fā)光層進行“手術(shù)”，切割成點陣的形狀，“手術(shù)”操作步驟復雜，并且在多次（一般為3次，以形成紅、綠、藍像素）“手術(shù)”的過程中，不可避免會破壞量子點，使得到的QLED性能低于未進行“手術(shù)”的QLED。因此，為滿足高分辨率、高性能顯示的需求，需要進一步研究對量子點發(fā)光層無損的圖形化技術(shù)。
為實現(xiàn)超高分辨率、高性能的全彩QLED顯示，陳樹明課題組提出基于微腔光場調(diào)控技術(shù)的全彩QLED顯示的實現(xiàn)方法。通過采用白光QLED作為載體，并在器件中引入光學諧振腔，利用紅、綠、藍諧振腔分別把白光轉(zhuǎn)換為紅、綠、藍單色光，從源頭上避免了對量子點直接圖形化帶來的損傷。
通過研究微腔光場作用下，白光QLED的激子能量轉(zhuǎn)移機制及微腔對白光QLED的光譜調(diào)制機制，實現(xiàn)低損耗的量子點色彩轉(zhuǎn)換微腔；通過光刻技術(shù)圖形化微腔，實現(xiàn)無彩色濾光片、無需圖形化量子點的高分辨率、高效率、寬色域、低成本、工藝簡單的全彩QLED顯示。
圖1全彩QLED陣列的器件結(jié)構(gòu)、工作原理和圖形化方法。
如圖1所示，一個全彩色QLED包括三個子器件，分別發(fā)射紅、綠、藍光。所有器件的底部采用高反射Ag膜作為反射電極，頂部采用半透明Ag膜作為光出射電極，形成了一個光學諧振腔（顏色轉(zhuǎn)換腔）。所有器件的發(fā)光層都相同，均發(fā)射白光，因此無需對量子點發(fā)光層進行圖形化。
IZO（indium zinc oxide) 作為透明相位調(diào)節(jié)層，通過調(diào)節(jié)IZO的厚度來滿足紅、綠和藍光發(fā)射的諧振條件，從而使相應的腔有選擇的將量子點發(fā)光層發(fā)出的白光分別轉(zhuǎn)換為紅、綠和藍光。在這種結(jié)構(gòu)中，僅需利用成熟的光刻技術(shù)對IZO進行圖形化，即可得到高分辨率的紅、綠、藍QLED像素陣列。
圖2器件的性能和發(fā)光照片。
通過對IZO相位調(diào)節(jié)層厚度的優(yōu)化，得到最佳的IZO厚度為50（藍光）、90（綠光）、130nm（紅光）。如圖2所示，在5.5 V電壓下，紅、綠、藍光器件的亮度分別為22170、51930和3064 cd/m2，色彩飽和度高，色域可達111%NTSC。
圖3超高分辨率的QLED像素陣列。a) 5 m亞像素的AFM圖像和20 m亞像素的IZO剖面高度曲線。b)圖形化后的全彩QLED照片。c) 光學顯微鏡下的像素化QLED陣列，亞像素為20-5 m。條形亞像素為3-1 m，可達到8000ppi的分辨率。
研究團隊提出了可光刻的諧振腔（顏色轉(zhuǎn)換腔），實現(xiàn)了超高分辨率的像素化紅、綠和藍色QLED陣列（圖3），紅、綠、藍像素可低至5 m，分辨率達1700 ppi；進一步利用電子束光刻，亞像素可低至1 m，分辨率高達8000 ppi。相比噴墨打印、轉(zhuǎn)印和光刻這些方法，該方法避免了對量子點發(fā)光層直接圖形化帶來的損傷，實現(xiàn)了超高分辨率的QLED顯示陣列 ，且可大面積制造。與“白光+彩色濾光片”的方法相比，該方法無需引入彩色濾光片，降低了制造成本且消除了彩色濾光片引起的亮度損失。
與OLED的轉(zhuǎn)換腔相比，QLED顏色轉(zhuǎn)換腔不僅可以調(diào)節(jié)器件發(fā)射的顏色，還可以對量子點能量轉(zhuǎn)移進行調(diào)制，從而使器件發(fā)射出色飽和度更高的紅、綠和藍光，色域可達到111%NTSC。該方法具有無需彩色濾光片、無需對量子點進行直接圖形化、可光刻、色彩飽和、顏色穩(wěn)定、高亮度和超高分辨率等優(yōu)點，可在高分辨顯示如移動顯示、微顯示和VR/AR顯示得到潛在的應用。
南科大電子與電氣工程系2019級碩士生陳練娜、2020級碩士生覃致遠為共同作者，通訊作者為陳樹明，南科大為論文第一單位。該研究得到了國家自然科學基金面上項目的資助。（來源：南方科技大學）
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