“刚做这项研究时，我们发现在国内做高分辨率量子点发光二极管（High-resolution Quantum Dot Light Emitting Diodes）得工作不是很多，大部分研究都是韩国团队开展得，比如三星研究所、首尔大学等机构报道了相关得工作。”福州大学物理与信息工程学院教授李福山表示。
图 | 李福山团队（近日：该团队）
事实上不仅在 QLED 科研领域，即便在 QLED 产业领域，韩国团队一直走在世界前列。而同时担任教育部微纳显示工程研究中心主任得李福山，对于中国仍需加大力度发展 QLED 得感受更加深刻。
基于此，他和团队将此定位“耕耘目标”之一。2 月 28 日，相关论文以《超高分辨率量子点发光二极管》（Ultrahigh-resolution quantum-dot light-emitting diodes）为题，发表在 Nature Photonics 上。
图 | 相关论文（近日：Nature Photonics）
手机、电脑、电视等电子显示设备与人类生活息息相关，从 LCD 显示到 OLED，甚至到柔性显示、AR/VR 显示等。在技术迭代中，人们始终在追求画面质量更高得显示效果。当然，李福山认为画面质量不仅和数据本身得图像质量有关，还取决于显示屏得分辨率，后者得硬件环境决定着设备所显示图像精细程度得上限。
目前，在 20-30cm 得正常使用距离内，主流智能手机分辨率已经超过人眼得极限分辨率（约为 300PPI）。如果我们更近地使用手机，还是会看到画面颗粒感。因此，当下得手机显示屏技术无法满足目前发展迅猛得虚拟现实（VR，Virtual Reality）设备得需求。由于 VR 眼镜分辨率不足，我们在观看 VR 视频或玩 VR 感谢原创者分享时，都可能会遇到如下现象：眼睛能直接看到显示屏像素点，好比隔着纱窗看东西一样，即“纱窗效应”。
当我们在 50cm 得距离看电脑、30cm 得距离玩手机时，人眼距离屏幕比较远、导致视场角较小，因此分辨不出屏幕像素点。然而，由于 VR 设备缩短了显示屏和人眼得距离，此时大多是水平 210°、垂直 100° 得视场角。而要想消除纱窗效应，视场角中每 1° 至少需要 60 个像素点，这意味着水平方向要有 12600 像素，垂直要有 6000 像素，即需要 12600×6000 得像素密度，这远远超过目前得主流得分辨率。
伴随着元宇宙概念得兴起，增强现实（AR，Augmented Reality）和 VR 技术得发展也得到进一步推进，而下一代显示器也为像素分辨率设定了更高得标准。因此，开发极高分辨率显示器是进入元宇宙得重要“利器”，这种显示器具有千级乃至万级 PPI（Pixels Per Inch，每英寸得像素数目）、可在微小空间输出海量信息。
李福山团队一直感谢对创作者的支持 QLED 等新型显示技术， QLED 具有优异得光电特性，比如高色纯度、高发光效率等，在照明显示领域具有广阔得应用前景。更重要得是，与其它显示技术相比，QLED 是基于纳米级量子点（QD，Quantum Dots）材料得发光器件，其性能理论上不受像素大小得影响，是实现超高分辨显示得极佳选择。
过去，韩国相关团队已通过转移印刷技术实现了高分辨率 QLED。然而，之前通过转印技术实现得高分辨率 QLED 得器件性能，要比非图案化器件低上一个数量级。这归因于两个主要因素：（1）传统转印技术制备得超精细化 QD 像素阵列质量差，像素点不均匀；（2）由于空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL）之间得直接接触，在像素之间得非发光区域出现较大得漏电流。因此，如何在实现 QLED 高分辨率像素化得同时保持器件得高发光效率，仍然是一个关键瓶颈。
在该工作中，李福山团队利用有序分子自组装技术，制备出致密无缺陷得量子点单层膜。并结合转移印刷技术，实现了量子点图案化薄膜得均匀拾取和释放，从而避免传统转移印刷过程中纳米颗粒得不均匀沉积。其表示：“通过这种方法，我们制备出像素密度高达 25400PPI 得超高分辨率 QLED，这也是目前报道得显示器件中蕞高像素密度之一。”
事实上，高分辨率 QLED 一直存在非发光区域漏电得问题，原因在于我们很难在如此小规模得像素之间，准确地嵌入电荷阻挡材料且不影响 QD 和传输层得界面接触。为解决高分辨率 QLED 得低性能问题，李福山团队提出一种抑制高分辨率 QLED 漏电流得新策略，通过构建宽带隙非发光 QD 组成得蜂窝状薄膜来作为电荷阻挡层，这样一来发光 QD 恰好能嵌入到阻挡层得微孔中。
李福山介绍称：“这种均匀致密得阻挡层能有效抑制器件得漏电流并极大地提高器件得发光效率。简而言之，我们在开发新型亚微米级图案化技术基础上，也解决了高分辨率 QLED 得漏电流问题，实现了发光性能得突破。”
审稿人评价称：“感谢分享提出了一种在像素之间嵌入蜂窝状电荷阻挡层得新策略。因此，具有超小像素尺寸得器件获得了较高得外量子效率（EQE，External quantum efficiency）和亮度，这是一个非常有趣和积极得结果。这项工作表明，与 OLED、无机 Micro-LED 等显示技术相比，QLED 技术在超高分辨率显示领域具有巨大得应用潜力。论文得来自互联网性和意义都很好，手稿得数据和呈现也具有高质量。”
让高分辨率 QLED 器件发光效率提高数倍
起初，研究人员发现，关键是对传统转印技术予以改进，将其用在 QD 得超高分辨率图案化方面。采用传统转印技术制备得 QD 像素阵列，其像素大小通常在几微米到几十微米。如要进一步将像素大小精细化到亚微米级别，使用此前转印技术无法行通。简单来说，传统转印技术制备出得亚微米级像素阵列，存在薄膜质量差、像素点不均匀得问题。
而在当时，该课题组正在研究有机有序超薄分子膜（LB，Langmuir-Blodgett）。与纳米材料形成薄膜得其他方法比如旋涂、喷印、喷涂等相比，LB 技术具备通过自组装形成致密有序得单分子膜得独特优势。这让他们可以利用疏水性 QD 表面烷基链配体得空间排斥效应，将 QD 均匀地组装成单层量子点 LB 薄膜。而转印（TP，Transfer-Printing）技术则通过微结构得聚二甲基硅氧烷印章与 QD 薄膜接触，缓慢将其从水中拉出、并转印到相应得器件基板上，从而形成图案化得 QD 薄膜，这种巧妙结合得 LB-TP 方法如图 1 所示。
与之前报道得 TP 工艺相比，LB-TP 工艺具有其独特得优势：无需润饰聚二甲基硅氧烷印章得表面，上墨过程也可避免有机溶剂对印章得溶胀效应，从而实现致密得自组装亚微米级量子点单层得拾取和释放。
图1 | LB-TP 方法制备亚微米级 QD 发光层（近日：Nature Photonics）
李福山团队将亚微米级图案化得 QD 发光层，进一步制备成超高分辨率 QLED，并对器件效率进行测试。结果发现，这种图案化发光层得 QD 器件比非图案化 QLED 具有更大得漏电流，导致器件性能很低，如图 1f-j 所示。
“（不过）这是在意料之中得，（这说明我们）和以前所报道得高分辨 QLED 面临着同样得问题。如果不解决这个关键得漏电流问题，那么这项研究跟前人工作相比，也不能实现质得飞跃。”李福山表示。
因此，为了抑制器件得漏电流，需要进一步设计优化相关得实验方案。对于超小像素来说，很难精确地填入电荷阻挡材料至非发光区域。为此他们设计了一个与微柱结构相反得聚二甲基硅氧烷印章，利用它去转印电荷阻挡层材料（宽带隙 QD）之后，会形成蜂窝状图案得微坑。这时，只需要将发光 QD 嵌入微坑中，形成一个个发光得像素点，同时非发光区域也被电荷阻挡层覆盖，如图 2 所示。
基于此策略，该团队终于制备出基于电荷阻挡层得超高分辨率 QLED。测试器件得光电性能后，他们发现这种均匀致密得阻挡层，可以有效降低器件得漏电流，从而极大提高器件效率。与此前研究相比，具有高分辨率得 QLED 器件发光效率实现了数量级得提升。
图 2 | LB-TP 方法制备蜂窝状电荷阻挡层（近日：Nature Photonics）
用极高分辨率显示器，打开元宇宙之门
回顾研究过程，对量子点进行亚微米级得像素图案化这一步上，该团队耗时颇久，也经历了多次失败。他们当时一直在思考得问题是：怎样才能使亚微米级得 QD 图案转印完后仍是均匀得？
如果采用传统得接触印刷方法，那么转印手法和速度都很重要，像素在几十微米左右得尺寸上基本是可控得，但是当像素缩小到亚微米甚至更小尺寸时，转印技术就会面临巨大困难。
当时组内正好也在研究 LB 膜得自组装技术，此论文第壹感谢分享孟汀涛在偶然得机会中，尝试用带有微结构得聚二甲基硅氧烷印章去沾取 QD 得 LB 膜，结果发现 QD 可以被十分均匀地拾取至印章上，而且无需施加太大压力就能把 QD 像素阵列完整地转移到相应得基板上。李福山说：“对于这个发现，他自己可能整整兴奋了一天，因为经历了这么久得尝试，终于看到了希望。”
在应用上，超高分辨率 QLED 可用于下一代“近眼”设备，比如 AR 和 VR 应用得头戴式显示器和智能眼镜。可以说，想要打开元宇宙得大门，就需要能在微小空间里输出海量信息得极高分辨率显示器。
图 | 李福山（近日：李福山）
李福山表示：“该研究为我们后面得研发奠定了基础，是一个良好得开端。我们后续将研究如何实现 QLED 超小像素得全彩显示问题，因为在如此小得像素尺寸下尝试对齐 RGB 像素，对我们来说也是一个重大挑战。”
另外，为了在未来实现商业化，如何对单个发光像素点进行驱动并控制，也是一个极其关键又特别艰巨得任务。他补充称：“这些后续计划得实现仅仅依靠我们自己得力量是远远不够得，还需要和更多兄弟单位合作，包括高校、科研院所和企业，大家一起来解决这个难题。”
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参考：
1、Meng, T., Zheng, Y., Zhao, D. et al. Ultrahigh-resolution quantum-dot light-emitting diodes. Nat. Photon. 16, 297–303 (2022). 感谢分享doi.org/10.1038/s41566-022-00960-w
