Small Methods:基于水性油墨原位喷墨打印制备钙钛矿量子点色彩转换膜

Mini/Micro-LED在发光效率、亮度、分辨率、色域、响应速度、寿命等方面具有绝对的优势,有望成为5G信息时代终端显示的终极技术,可广泛应用于超高清显示、可穿戴设备、智能手机、AR/VR等。一般Mini/Micro-LED显示设备由百万颗芯片阵列构成,面临巨量转移技术等关键瓶颈问题,导致生产效率和良品率较低,阻碍其大规模商业化应用。针对这些问题,研究人员提出采用“UV或蓝光Mini/Micro-LED + RGB量子点薄膜”的替代技术,以实现超高分辨率和全彩显示。与传统量子点相比,钙钛矿量子点具有更高的荧光效率效率、更简便的合成过程、更高的色纯度以及更宽的发光可调性等优点,因而在显示领域具有广泛的应用前景。

喷墨打印技术具有高精度、非接触、无掩模、与多种基材兼容、高材料利用率等优点而倍受青睐,近来被应用于制造薄膜晶体管、太阳能电池、电化学传感器、发光二极管以及可穿戴设备等光电器件。目前,已报道的喷墨打印制备钙钛矿量子点色彩转换膜可分为原位法和非原位法。与非原位法相比,原位法合成具有操作简单、不易堵塞喷嘴且墨水可以长期储存等优点。同时,两种方法均面临着墨水溶剂的挥发性与毒性问题,对环境和研究人员的健康都造成了巨大危害。

厦门大学解荣军教授课题组和中国科学院大学董国艳副教授合作,以水作为喷墨打印钙钛矿量子点的油墨溶剂,将钙钛矿前驱体和聚合物溶解于水溶液中形成透明溶液。利用高精度喷墨打印系统原位打印制备出MAPbBr3量子点和聚乙烯醇的钙钛矿量子点色彩转换膜(MAPbBr3/PVA)。通过改变基板温度优化MAPbBr3/PVA的光学性能以及打印像素点的均匀性。研究发现,提高基板温度可以有效提高MAPbBr3/PVA的荧光量子产率以及荧光寿命,发光峰位蓝移、半峰宽窄化,得到的像素点发光更加均匀。在80ºC的退火温度下,其发射峰位于526 nm,半峰宽为22 nm,荧光量子产率高达85%,色域覆盖Rec. 2020标准的97%,且单像素点直径仅为90微米。与传统配体辅助再沉淀法制备的MAPbBr3量子点相比,MAPbBr3/PVA的光稳定性和环境稳定性显著提升。此外,该油墨可以在室温下长期储存并适用于在不同基材打印任意复杂图形。通过改变前驱油墨中卤素的比例,可实现RGB色彩转换膜的制备。最终,将MAPbBr3/PVA与蓝光Mini-LED芯片相结合,获得绿色Mini-LED器件。

该研究提供了一种原位喷墨打印制备钙钛矿量子点色彩转换膜的新思路,与含有机溶剂的油墨相比,基于水相油墨喷墨打印制备色彩转换膜成本更加低廉、量子点制备过程更加环保,符合当今绿色化学的理念,有望最终应用于Mini/Micro-LED显示领域,大幅度降低其制造成本和提升器件性能。相关论文以“In Situ Inkjet Printing Patterned Lead Halide Perovskite Quantum Dot Color Conversion Films by Using Cheap and Eco-Friendly Aqueous Inks”为题,在线发表在Small Methods(DOI:10.1002/smtd.202000889)上,第一作者为厦门大学材料学院博士生石澍晨,厦门大学材料学院解荣军教授、宣曈曈助理教授以及中国科学院大学光电学院董国艳副教授为共同通讯作者。