近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系副教授陳樹(shù)明課題組提出一種基于微腔光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)的全彩色量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）顯示的方法，實(shí)現(xiàn)了分辨率高達(dá)1700 像素每英寸（ppi）的全彩色QLED顯示陣列，并可進(jìn)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(xué)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(dǎo)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(jiǎn)單、可溶液加工等優(yōu)點(diǎn)，是下一代新型顯示的有力競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)全彩QLED顯示，必須對(duì)量子點(diǎn)發(fā)光層進(jìn)行精細(xì)的圖形化，以形成肩并肩并行排列的紅、綠、藍(lán)QLED像素陣列。
目前已開(kāi)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(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行圖形化，即直接對(duì)量子點(diǎn)發(fā)光層進(jìn)行“手術(shù)”，切割成點(diǎn)陣的形狀，“手術(shù)”操作步驟復(fù)雜，并且在多次（一般為3次，以形成紅、綠、藍(lán)像素）“手術(shù)”的過(guò)程中，不可避免會(huì)破壞量子點(diǎn)，使得到的QLED性能低于未進(jìn)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(jìn)一步研究對(duì)量子點(diǎn)發(fā)光層無(wú)損的圖形化技術(shù)。
為實(shí)現(xiàn)超高分辨率、高性能的全彩QLED顯示，陳樹(shù)明課題組提出基于微腔光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)的全彩QLED顯示的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)采用白光QLED作為載體，并在器件中引入光學(xué)諧振腔，利用紅、綠、藍(lán)諧振腔分別把白光轉(zhuǎn)換為紅、綠、藍(lán)單色光，從源頭上避免了對(duì)量子點(diǎn)直接圖形化帶來(lái)的損傷。
通過(guò)研究微腔光場(chǎng)作用下，白光QLED的激子能量轉(zhuǎn)移機(jī)制及微腔對(duì)白光QLED的光譜調(diào)制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)低損耗的量子點(diǎn)色彩轉(zhuǎn)換微腔；通過(guò)光刻技術(shù)圖形化微腔，實(shí)現(xiàn)無(wú)彩色濾光片、無(wú)需圖形化量子點(diǎn)的高分辨率、高效率、寬色域、低成本、工藝簡(jiǎn)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(gè)全彩色QLED包括三個(gè)子器件，分別發(fā)射紅、綠、藍(lán)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(gè)光學(xué)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(wú)需對(duì)量子點(diǎn)發(fā)光層進(jìn)行圖形化。
IZO（indium zinc oxide) 作為透明相位調(diào)節(jié)層，通過(guò)調(diào)節(jié)IZO的厚度來(lái)滿足紅、綠和藍(lán)光發(fā)射的諧振條件，從而使相應(yīng)的腔有選擇的將量子點(diǎn)發(fā)光層發(fā)出的白光分別轉(zhuǎn)換為紅、綠和藍(lán)光。在這種結(jié)構(gòu)中，僅需利用成熟的光刻技術(shù)對(duì)IZO進(jìn)行圖形化，即可得到高分辨率的紅、綠、藍(lán)QLED像素陣列。
圖2器件的性能和發(fā)光照片。
通過(guò)對(duì)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(lán)光）、90（綠光）、130nm（紅光）。如圖2所示，在5.5 V電壓下，紅、綠、藍(lán)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(dá)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(xué)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(dá)到8000ppi的分辨率。
研究團(tuán)隊(duì)提出了可光刻的諧振腔（顏色轉(zhuǎn)換腔），實(shí)現(xiàn)了超高分辨率的像素化紅、綠和藍(lán)色QLED陣列（圖3），紅、綠、藍(lán)像素可低至5 m，分辨率達(dá)1700 ppi；進(jìn)一步利用電子束光刻，亞像素可低至1 m，分辨率高達(dá)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(duì)量子點(diǎn)發(fā)光層直接圖形化帶來(lái)的損傷，實(shí)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(wú)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(duì)量子點(diǎn)能量轉(zhuǎn)移進(jìn)行調(diào)制，從而使器件發(fā)射出色飽和度更高的紅、綠和藍(lán)光，色域可達(dá)到111%NTSC。該方法具有無(wú)需彩色濾光片、無(wú)需對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)，可在高分辨顯示如移動(dòng)顯示、微顯示和VR/AR顯示得到潛在的應(yīng)用。
南科大電子與電氣工程系2019級(jí)碩士生陳練娜、2020級(jí)碩士生覃致遠(yuǎn)為共同作者，通訊作者為陳樹(shù)明，南科大為論文第一單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。（來(lái)源：南方科技大學(xué)）
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