隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)兼具視網(wǎng)膜級(jí)分辨率（>10,000 PPI）與高發(fā)光效率的微顯示器需求迫切。然而，現(xiàn)有 微顯示技術(shù)在超高像素密度、全彩集成與器件性能的統(tǒng)一上面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：硅基液晶光學(xué)效率低、有機(jī)發(fā)光二極管在亞微米像素下效率滾降嚴(yán)重、微型發(fā)光二極管巨量轉(zhuǎn)移良率受限。量子點(diǎn)發(fā)光二極管雖具潛力，但將其擴(kuò)展至全彩超高分辨率陣列仍是尚未攻克的核心難題。

鑒于此，來自福州大學(xué)的李福山教授提出了一種名為“雙作用力動(dòng)力學(xué)”的新策略，結(jié)合硬質(zhì)硅模板納米壓印與倒置轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)，成功制備了像素密度高達(dá)25,400 PPI的全彩量子點(diǎn)發(fā)光二極管。該研究通過在圖案化過程中引入電場(chǎng)均勻化設(shè)計(jì)，有效解決了傳統(tǒng)高分辨率QLED中因微結(jié)構(gòu)引起的性能衰退問題。所制備的紅色URQLED在12,700 PPI下峰值外量子效率達(dá)到26.1%，在1,000 cd m?2初始亮度下的工作壽命T??高達(dá)65,190小時(shí)，綠光和藍(lán)光器件的性能也得到顯著提升。此外，研究團(tuán)隊(duì)還展示了與CMOS驅(qū)動(dòng)電路集成的有源矩陣URQLED顯示器，為實(shí)現(xiàn)下一代沉浸式顯示技術(shù)提供了切實(shí)可行的路徑。相關(guān)論文以題為“Nanoscale transfer-printed full-colour ultrahigh-resolution quantum dot LEDs”發(fā)表在最新一期《nature》上。

全彩超高分辨率量子點(diǎn)圖案化

為實(shí)現(xiàn)對(duì)像素幾何、電隔離和量子點(diǎn)堆積行為的同步控制，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種兩步納米壓印-倒置轉(zhuǎn)印工藝。首先在PDMS背襯上的PVB犧牲層和PVA電荷阻擋層中，利用氟硅烷處理過的硬質(zhì)硅模板進(jìn)行納米壓印，形成高保真的RGB微腔陣列（圖1a）。這一過程在110°C下進(jìn)行，確保了模板的完美復(fù)制。隨后，利用微腔與PVA平臺(tái)之間的潤(rùn)濕性差異，通過旋涂法將量子點(diǎn)墨水選擇性填充至微腔內(nèi)，依次完成紅、綠、藍(lán)像素的填充，避免了顏色串?dāng)_。第二步，通過倒置轉(zhuǎn)移印刷，將填充有量子點(diǎn)的微腔陣列連同PVA絕緣框架整體轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基板（HTL層）上(圖1b)。在此過程中，PDMS印章的垂直壓縮與PVB/PVA復(fù)合層的彈性回縮產(chǎn)生雙作用力動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)形成致密、無空洞的薄膜，轉(zhuǎn)移良率超過99.9%。

圖 1 | 亞微米 RGB 全彩量子點(diǎn)發(fā)光層的 NP–TP 工藝示意圖及 DAFD

量子點(diǎn)圖案特征的控制

研究團(tuán)隊(duì)使用直徑550 nm、間距2 μm的硅模板，成功制備了由40 nm厚PVA蜂窩墻界定的亞微米像素微孔。掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡圖像（圖2a-i）證實(shí)，復(fù)制出的微孔精確保留了硅模板的幾何形狀，實(shí)現(xiàn)了模板限制的分辨率。通過調(diào)控量子點(diǎn)濃度（5 mg ml?1）和溶劑（正辛烷），旋涂后的量子點(diǎn)能夠完全填充微孔，而在絕緣平臺(tái)區(qū)域幾乎無殘留，實(shí)現(xiàn)了順序旋涂無交叉污染。熒光顯微鏡和SEM圖像（圖2k-p）清晰展示了紅、綠、藍(lán)像素各自占據(jù)指定微孔，無任何殘留。基于DAFD機(jī)制，轉(zhuǎn)移過程中的垂直壓縮和橫向收縮使量子點(diǎn)薄膜致密化，經(jīng)計(jì)算，垂直壓縮約50 nm，水平收縮約13.1 nm，有效消除了間隙。統(tǒng)計(jì)超過10?個(gè)像素，12,700 PPI下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移良率超過99.99%，光學(xué)均勻性優(yōu)異，表明該技術(shù)超越了所有已報(bào)道的量子點(diǎn)圖案化方法。

圖 2 | NP–TP 工藝的結(jié)構(gòu)特性及其產(chǎn)生的像素微結(jié)構(gòu)

圖案化RGB URQLED的光電性能

基于上述圖案化工藝，研究團(tuán)隊(duì)制備了標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（ITO/PEDOT:PSS/TFB/QDs/ZnMgO/Ag）的RGB URQLED，像素密度為12,700 PPI（圖3a）。引入PVA絕緣層后，器件的暗電流降低了約33倍，有效抑制了像素間的漏電流。其中，紅色PVA絕緣器件的外量子效率達(dá)到20.8%，相比無PVA器件提升了約10倍。通過壽命外推，紅色器件在1,000 cd m?2下的T??壽命約為55,949小時(shí)，相較于無PVA器件（約46小時(shí)）提升了約1,216倍。綠色和藍(lán)色URQLED的外量子效率也分別達(dá)到14.6%和4.3%。

圖 3 | 無PVA阻擋層、有PVA阻擋層以及具有介電常數(shù)優(yōu)化的PVA阻擋層的圖案化RGB QLED器件的結(jié)構(gòu)和光電性能

微孔中電場(chǎng)的介電調(diào)控

盡管PVA層抑制了像素間漏電，但圖案化器件的性能仍落后于非圖案化器件。研究團(tuán)隊(duì)通過COMSOL仿真發(fā)現(xiàn)，在550 nm微孔結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)呈現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻分布，邊緣場(chǎng)強(qiáng)顯著集中（圖4a-b）。這種電場(chǎng)集中效應(yīng)是導(dǎo)致效率降低和不穩(wěn)定的關(guān)鍵原因。為解決這一問題，團(tuán)隊(duì)通過在PVA中摻入TiO?納米顆粒來調(diào)控其介電常數(shù)。當(dāng)TiO?添加量為50 wt%時(shí)，PVA層的介電常數(shù)提升至6.7，與量子點(diǎn)的介電常數(shù)相匹配。仿真結(jié)果顯示，介電匹配后，微孔內(nèi)部的電場(chǎng)分布趨于均勻，邊緣效應(yīng)得到有效抑制（圖4c）。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，介電優(yōu)化后的紅色URQLED峰值外量子效率進(jìn)一步提升至26.1%，這是目前報(bào)道的超過1,000 PPI QLED的最高效率。綠光和藍(lán)光器件的外量子效率也分別提升至18.1%和5.1%，同時(shí)工作壽命也得到顯著延長(zhǎng)（紅色T??達(dá)65,190小時(shí)）。

圖 4 | 施加偏壓下像素微孔中的模擬電場(chǎng)分布

像素化全彩URQLED

利用NP-TP工藝，研究團(tuán)隊(duì)制備了12,700 PPI的全彩URQLED，其RGB子像素均勻排列（圖5a-c）。器件在不同電壓下展現(xiàn)了清晰分離的紅、綠、藍(lán)電致發(fā)光峰，色域覆蓋≥85%的Rec. 2020標(biāo)準(zhǔn)（圖5e）。像素化全彩URQLED在白色發(fā)光狀態(tài)下的峰值外量子效率達(dá)到10.1%，遠(yuǎn)超通過溶液共混制備的混合白光QLED（6.0%），展現(xiàn)了通過幾何隔離抑制不同顏色量子點(diǎn)間能量轉(zhuǎn)移的優(yōu)勢(shì)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將高性能紅色URQLED與CMOS驅(qū)動(dòng)電路單片集成，成功制備了分辨率為1,920×1,080、像素密度為5,600 PPI的有源矩陣URQLED顯示面板。該面板在0.864×0.486 cm2的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)像素的獨(dú)立、精確電學(xué)尋址（圖5j-o），展示了NP-TP技術(shù)與現(xiàn)有微電子驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的無縫兼容性。

圖 5 | 圖案化 RGB 量子點(diǎn)器件的光電性能及主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)演示

總結(jié)與展望

本研究提出的DAFD策略，通過NP-TP技術(shù)，成功解決了全彩超高分辨率QLED在圖案化精度、電學(xué)隔離與性能衰退方面的核心矛盾。該技術(shù)不僅在剛性及柔性基底上實(shí)現(xiàn)了對(duì)CdSe/ZnS和鈣鈦礦量子點(diǎn)的高保真圖案化，更通過介電工程解決了亞微米像素微結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)非均勻性問題，顯著提升了器件效率與穩(wěn)定性。所展示的12,700 PPI全彩URQLED及與CMOS集成的有源矩陣顯示器，為面向近眼顯示和沉浸式顯示應(yīng)用的高性能、可規(guī)模化制造的微顯示器技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。