福州大学李福山教授和宁波材料所钱磊研究员合作实现每英寸9072-25400像素QLED

胶体量子点（QDs）由于其优异的光电特性，如窄发射光谱、可调谐发射波长、高发光效率和优异的稳定性而被广泛研究。过去十年，量子点发光二极管（QLED）的性能取得突破，在显示应用领域展现出广阔的前景。面对大量信息或近眼显示要求，下一代显示器为像素分辨率设定了更高的标准。然而，QLED发光层的高分辨率图案化仍然是一个关键瓶颈。

目前，QLED像素图案的实现主要通过喷墨印刷、光刻和转移印刷（TP）来实现。喷墨打印在生成几微米以下的QD像素方面面临着巨大的困难。光刻法生产的量子点像素不可避免地含有光刻胶残留物，这会阻碍电荷传输并导致器件性能下降。相比之下，TP可用于构建无有机残留物的超小像素。全彩QLED已由TP制备。通过凹版TP技术构建了每英寸2460像素(PPI)的QLED阵列。超高分辨率QLED已通过浸入式TP技术制造。但是，以前的高分辨率QLED表现出低性能，其外部量子效率(EQE)和亮度明显低于比旋涂制备的那些（大约低一个数量级）。这可以归因于转移的量子点薄膜质量较差，以及由于空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL）之间的直接接触导致像素之间的非发光区域出现较大的漏电流。

鉴于此，福州大学李福山教授与中国科学院宁波材料所钱磊研究员合作采用转移印刷技术和Langmuir-Blodgett薄膜技术相结合的方法，实现了每英寸9072-25400像素的量子点发光二极管(QLED)。为了降低器件的泄漏电流，在发光量子点像素之间嵌入了蜂窝图案化的宽带隙量子点层，作为非发光电荷屏障层。红色和绿色量子发光二极管证明被得到。值得注意的是，在外加电压为8v的情况下，红色器件的亮度可达262400 cd m-2，外部量子效率峰值为14.72%。这一工作为实现高性能的超高分辨率QLED器件提供了一条有希望的途径。相关研究成果以题为“Ultrahigh-resolution quantum-dot light-emitting diodes”发表在最新一期《Nature Photonics》上。

【量子点发光层制备与表征】

图1a展示了生成图案化QD薄膜的方法示意图。首先，量子点的自组装是通过LB方法实现的，将有机溶液中的量子点滴加到Langmuir槽中，在油性溶剂蒸发后分散在空气-水界面。当适度压缩分散区域时，疏水性量子点通过表面烷基链配体的空间排斥均匀地组装成单层。微结构的PDMS印章与QD Langmuir薄膜接触并轻轻地从水中拉出。与之前报道的TP工艺相比，LB-TP工艺表现出其优势：无需对PDMS印章表面进行润饰，上墨过程避免了有机溶剂对PDMS印章的溶解；发现量子点被拾取并均匀释放，避免了传统工艺中纳米颗粒薄膜的不完全转移；可以简单地重复浸没过程以改变转移的量子点层的厚度。

图1b显示了用光学显微镜观察到的微结构化印章的表面形貌。印章的扫描电子显微镜(SEM)图像如图1c、d所示。打印后，亚微米大小的红色和绿色量子点阵列的荧光显微镜图像如图1e，h所示。红色和绿色器件，它们由氧化铟锡(ITO)/聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)/聚(9,9-二辛基芴-共-N-(4-丁基苯基)二苯胺)(TFB)/QDs/ZnMgO/Ag构成。红色QLED的电流密度-电压-亮度（ J-V-L）和电流效率-亮度-外量子效率（CE-L-EQE）特性如图1f，g所示，该器件具有0.71%的峰值EQE和10210 cd m-2的最大亮度。此外，绿色器件显示出0.43%的最大EQE和38108 cd m-2的最大亮度（图1i，j）。

图 1. LB-TP 法制备亚微米量子点发光层

【解决发光层漏电流问题】

对于超小像素来说，抑制非发光区域的漏电流是一大挑战，因为如此小规模的像素之间难以准确嵌入电荷阻挡材料。为了解决高分辨率QLED的低性能问题，作者设计了一个倒置印模来转移蜂窝状的电荷阻挡层，然后将发光的量子点嵌入微孔中。微孔PDMS印章的具体细节如图2a所示。两次上墨后转移的蓝色-QD薄膜的SEM和原子力显微镜图像如图2b，c所示。薄膜的厚度约为25 nm。由于蓝色量子点具有较宽的带隙，蜂窝膜在将红色或绿色量子点填充到微孔中时用作电荷阻挡层。如图2d-h所示，465nm蓝光激发的荧光显微镜图像显示，旋涂后发光量子点完全嵌入蜂窝孔中，而在阻挡层顶部几乎没有观察到残留物。蜂窝屏障的厚度对填充效果有重要影响。

图 2. 蜂窝状电荷势垒层的研究

【QLED器件的制备与表征】

RB图案薄膜用作EML以制造具有ITO/PEDOT：PSS/TFB/QDs/ZnMgO/Ag器件结构的高分辨率QLED（图3a）。该器件的能带图如图3b所示。值得注意的是，蓝色量子点（用作阻挡层）几乎不影响器件的红色发射（图3c）。当驱动电压从3 V增加到6 V时，EL的峰值位置为625 nm。EL峰的位置相对于PL有轻微的红移（2 nm），这归因于在紧密堆积的QD固体中观察到的点间相互作用和电场诱导的斯塔克效应的组合（图3d）。当以不同电压驱动时，RB图案QLED的CIE坐标均位于标准红色发射点。如图3e，f所示，在8V的施加电压下，器件的亮度为262400 cd m-2。该器件表现出14.72%的峰值EQE和20.21 cd A–1的电流效率，比没有电荷阻挡层的器件高约20倍（图1e-g）。需要说明的是，器件的高效率在较宽的亮度范围内保持不变，即使在高达200000 cd m-2的亮度下也不会出现效率滚降。

图 3. R-B 图案的 QLED 器件的结构和表征

在没有阻挡层的情况下（图4a），器件产生非辐射泄漏电流。此外，由蓝色量子点组成的电荷势垒层将HTL和ETL隔开（图4b），由于红色量子点的注入势垒相对较小，电荷更优选注入红色量子点而不是蓝色量子点。图4c中表明具有蓝色-QD阻挡层的器件表现出明显较低的电流密度。图4d显示了通过LB-TP和常规接触印刷制备的蓝色-QD阻挡层薄膜的SEM图像。这证明了与传统接触印刷相比，LB-TP工艺在形成致密且均匀的薄膜方面具有卓越的能力。因此，如图4e所示，由LB-TP制备的蓝量子点势垒层可以显着降低器件的漏电流。

图 4. 带阻挡层和不带阻挡层的比较

【总结】

作者提出了一种制作具有优良性能的超高分辨率 QLED 器件的简便策略。结合 LB 膜技术和 TP 工艺，可以很容易地制备像素密度高达25400 PPI 的高分辨率QLED。为了抑制非发射区的漏电流，采用 LB-TP 工艺制备了宽带隙蓝色量子点蜂窝膜作为电荷屏障层，获得了高度均匀的密堆积膜，有效地将 ETL 和 HTL 从直接接触区分开，抑制了非辐射复合。采用蜂窝阻挡层结构的器件具有9072 PPI 的分辨率，最大 EQE 为14.72% (约增加20倍) ，8v 时的亮度为262400 cd m-2。