南科大陈树明团队：实现高分辨率全彩色量子点发光二极管显示阵列

基于II-VI族半导体CdSe的QLED具有发光效率高、发光色彩可调、色彩鲜艳、结构简单、可溶液加工等优点，是下一代新型显示的有力竞争者，在低成本、大面积、广色域、柔性、印刷显示等领域具有广阔的应用前景。为实现全彩QLED显示，必须对量子点发光层进行精细的图形化，以形成肩并肩并行排列的红、绿、蓝QLED像素阵列。目前已开发的技术，例如喷墨打印、印章转印、光刻等，都是直接对量子点进行图形化，即直接对量子点发光层进行“手术”，切割成点阵的形状，“手术”操作步骤复杂，并且在多次（一般为3次，以形成红、绿、蓝像素）“手术”的过程中，不可避免会破坏量子点，使得到的QLED性能低于未进行“手术”的QLED。因此，为满足高分辨率、高性能显示的需求，需要进一步研究对量子点发光层无损的图形化技术。

为实现超高分辨率、高性能的全彩QLED显示，陈树明课题组提出基于微腔光场调控技术的全彩QLED显示的实现方法。通过采用白光QLED作为载体，并在器件中引入光学谐振腔，利用红、绿、蓝谐振腔分别把白光转换为红、绿、蓝单色光，从源头上避免了对量子点直接图形化带来的损伤。通过研究微腔光场作用下，白光QLED的激子能量转移机制及微腔对白光QLED的光谱调制机制，实现低损耗的量子点色彩转换微腔；通过光刻技术图形化微腔，实现无彩色滤光片、无需图形化量子点的高分辨率、高效率、宽色域、低成本、工艺简单的全彩QLED显示。

图1全彩QLED阵列的器件结构、工作原理和图形化方法。

如图1所示，一个全彩色QLED包括三个子器件，分别发射红、绿、蓝光。所有器件的底部采用高反射Ag膜作为反射电极，顶部采用半透明Ag膜作为光出射电极，形成了一个光学谐振腔（颜色转换腔）。所有器件的发光层都相同，均发射白光，因此无需对量子点发光层进行图形化。IZO（indium zinc oxide) 作为透明相位调节层，通过调节IZO的厚度来满足红、绿和蓝光发射的谐振条件，从而使相应的腔有选择的将量子点发光层发出的白光分别转换为红、绿和蓝光。在这种结构中，仅需利用成熟的光刻技术对IZO进行图形化，即可得到高分辨率的红、绿、蓝QLED像素阵列。

图2器件的性能和发光照片。

通过对IZO相位调节层厚度的优化，得到最佳的IZO厚度为50（蓝光）、90（绿光）、130nm（红光）。如图2所示，在5.5 V电压下，红、绿、蓝光器件的亮度分别为22170、51930和3064 cd/m2，色彩饱和度高，色域可达111%NTSC。

图3超高分辨率的QLED像素阵列。a) 5 m亚像素的AFM图像和20 m亚像素的IZO剖面高度曲线。b)图形化后的全彩QLED照片。c) 光学显微镜下的像素化QLED阵列，亚像素为20-5 m。条形亚像素为3-1 m，可达到8000ppi的分辨率。

研究团队提出了可光刻的谐振腔（颜色转换腔），实现了超高分辨率的像素化红、绿和蓝色QLED阵列（图3），红、绿、蓝像素可低至5 m，分辨率达1700 ppi；进一步利用电子束光刻，亚像素可低至1 m，分辨率高达8000 ppi。相比喷墨打印、转印和光刻这些方法，该方法避免了对量子点发光层直接图形化带来的损伤，实现了超高分辨率的QLED显示阵列 ，且可大面积制造。与“白光 彩色滤光片”的方法相比，该方法无需引入彩色滤光片，降低了制造成本且消除了彩色滤光片引起的亮度损失。与OLED的转换腔相比，QLED颜色转换腔不仅可以调节器件发射的颜色，还可以对量子点能量转移进行调制，从而使器件发射出色饱和度更高的红、绿和蓝光，色域可达到111%NTSC。该方法具有无需彩色滤光片、无需对量子点进行直接图形化、可光刻、色彩饱和、颜色稳定、高亮度和超高分辨率等优点，可在高分辨显示如移动显示、微显示和VR/AR显示得到潜在的应用。

南科大电子与电气工程系2019级硕士生陈练娜、2020级硕士生覃致远为共同作者，通讯作者为陈树明，南科大为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金面上项目的资助。