Small Methods:利用谐振腔实现超高分辨率全彩色量子点发光二极管

研究背景

基于II-VI族CdSe的胶体量子点发光二极管(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,喷墨打印是最常见的量子点图形化方法,即采用适当的溶剂,将量子点配成适合打印的“墨水”,利用喷墨打印技术,在基板上打印形成红、绿、蓝并排的量子点发光阵列。但打印得到的薄膜存在着咖啡环等形貌问题,且分辨率局限于300像素每英寸(ppi)以下,远不能满足高分辨率移动显示、微显示、AR/VR显示的要求。为提高分辨率,研究者提出了转印量子点的方法,即通过使用高精度的印章将量子点转印在目标基板上,目前已实现了2460 ppi的分辨率。但转印技术制备过程繁琐,该方法是否适合大面积生产仍存在争议。近年来研究者又提出了光刻量子点的新方法,通过引入对紫外光敏感的交联剂,使量子点可以像光刻胶一样,得到高精度的图形化。但由于交联剂的引入和多次图形化的步骤,QLED的性能会受到影响。综上所述,目前已开发的技术,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,在多次(一般为3次,以形成红、绿、蓝像素)“手术”的过程中,不可避免的会破坏量子点,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。

文章概述

为实现超高分辨率、高性能的全彩QLED显示,近日,南方科技大学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。所得到的高分辨率全彩QLED,在5.5 V电压下,红、绿、蓝像素的亮度分别为22170、51930和3064 cd/m2,分辨率为1700 ppi,色域可达111% NTSC。该方法为QLED的高精度图形化提供了一条全新的技术路径,将促进QLED在高分辨率全彩显示如移动显示、微显示、AR/VR等新型显示上的应用。文章第一作者为硕士生陈练娜,通讯作者为陈树明。

图文导读:

图1 全彩QLED阵列的器件结构、工作原理和图形化方法。a) 器件结构示意图。b) 具备颜色转换腔的顶发射QLED的能级,采用金属Ag薄膜作为电极和腔体的反射镜,而IZO作为相位调节层。c) 全彩QLED阵列的原理图。IZO相位调节层通过光刻进行图形化。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白光分别转换为红、绿和蓝光。

图2 通过在白光QLED中加入颜色转换腔实现红、绿和蓝光发射。图中分别显示了转换后的红、绿和蓝光发射的EL光谱、色坐标和效率。当IZO的最佳厚度为50 (b)、90 (g) 和130 nm (r)时, QLED分别发射出颜色饱和且颜色稳定的蓝、绿和红光。

图3 器件的性能。a) 电流密度-电压-亮度特性曲线。 b) 电流效率-电流密度特性曲线。c) EL光谱和转换后的红、绿、蓝发射的照片。红、绿和蓝光发射的器件具有高亮度和高色域(110% NTSC)。

图4 谐振腔对量子点能量传递的调制。a) 在不同条件下量子点能量转移的示意图。TRPL的衰减曲线对比:b) R/G/B在单色QLED和白色QLED中的TRPL;c) R/G/B单色QLED和具有腔结构的R/G/B 单色QLED的TRPL;d) R/G/B 在微腔单色QLED和微腔白色QLED中的TRPL。e) 常规白色QLED和微腔白色QLED的R/G/B发光效率。

图5 超高分辨率的QLED像素阵列。a) 5 µm亚像素的AFM图像和20 µm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 µm。条形亚像素为3-1 µm,可达到8000 ppi的分辨率。

总结

团队提出了可光刻的谐振腔(颜色转换腔),实现了高分辨率高达8000 ppi的像素化红、绿和蓝色QLED阵列。通过对IZO相位调节层进行光刻,可得到红、绿、蓝谐振腔,相应的谐振腔有选择地将量子点发光层发出的白光转换为颜色饱和和稳定的红、绿和蓝光。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 (1700 ppi,可提高至8000 ppi),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。

该研究获得国家自然科学基金(61775090, 62174075)等项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Ultrahigh Resolution Pixelated Top-Emitting Quantum-Dot Light-Emitting Diodes Enabled by Color-Converting Cavities

Lianna Chen, Zhiyuan Qin, Shuming Chen*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101090

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101090