福州大學，最新Nature！

隨著增強現實和虛擬現實技術的發展，市場對兼具視網膜級分辨率（>10,000 PPI）與高發光效率的微顯示器需求迫切。然而，現有 微顯示技術在超高像素密度、全彩集成與器件性能的統一上面臨嚴峻挑戰：硅基液晶光學效率低、有機發光二極管在亞微米像素下效率滾降嚴重、微型發光二極管巨量轉移良率受限。量子點發光二極管雖具潛力，但將其擴展至全彩超高分辨率陣列仍是尚未攻克的核心難題。

鑒于此，來自福州大學的李福山教授提出了一種名為“雙作用力動力學”的新策略，結合硬質硅模板納米壓印與倒置轉移印刷技術，成功制備了像素密度高達25,400 PPI的全彩量子點發光二極管。該研究通過在圖案化過程中引入電場均勻化設計，有效解決了傳統高分辨率QLED中因微結構引起的性能衰退問題。所制備的紅色URQLED在12,700 PPI下峰值外量子效率達到26.1%，在1,000 cd m?2初始亮度下的工作壽命T??高達65,190小時，綠光和藍光器件的性能也得到顯著提升。此外，研究團隊還展示了與CMOS驅動電路集成的有源矩陣URQLED顯示器，為實現下一代沉浸式顯示技術提供了切實可行的路徑。相關論文以題為“Nanoscale transfer-printed full-colour ultrahigh-resolution quantum dot LEDs”發表在最新一期《nature》上。

全彩超高分辨率量子點圖案化

為實現對像素幾何、電隔離和量子點堆積行為的同步控制，研究團隊開發了一種兩步納米壓印-倒置轉印工藝。首先在PDMS背襯上的PVB犧牲層和PVA電荷阻擋層中，利用氟硅烷處理過的硬質硅模板進行納米壓印，形成高保真的RGB微腔陣列（圖1a）。這一過程在110°C下進行，確保了模板的完美復制。隨后，利用微腔與PVA平臺之間的潤濕性差異，通過旋涂法將量子點墨水選擇性填充至微腔內，依次完成紅、綠、藍像素的填充，避免了顏色串擾。第二步，通過倒置轉移印刷，將填充有量子點的微腔陣列連同PVA絕緣框架整體轉移至目標基板（HTL層）上(圖1b)。在此過程中，PDMS印章的垂直壓縮與PVB/PVA復合層的彈性回縮產生雙作用力動力學效應，驅動量子點形成致密、無空洞的薄膜，轉移良率超過99.9%。

圖 1 | 亞微米 RGB 全彩量子點發光層的 NP–TP 工藝示意圖及 DAFD

量子點圖案特征的控制

研究團隊使用直徑550 nm、間距2 μm的硅模板，成功制備了由40 nm厚PVA蜂窩墻界定的亞微米像素微孔。掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡圖像（圖2a-i）證實，復制出的微孔精確保留了硅模板的幾何形狀，實現了模板限制的分辨率。通過調控量子點濃度（5 mg ml?1）和溶劑（正辛烷），旋涂后的量子點能夠完全填充微孔，而在絕緣平臺區域幾乎無殘留，實現了順序旋涂無交叉污染。熒光顯微鏡和SEM圖像（圖2k-p）清晰展示了紅、綠、藍像素各自占據指定微孔，無任何殘留?；贒AFD機制，轉移過程中的垂直壓縮和橫向收縮使量子點薄膜致密化，經計算，垂直壓縮約50 nm，水平收縮約13.1 nm，有效消除了間隙。統計超過10?個像素，12,700 PPI下的結構轉移良率超過99.99%，光學均勻性優異，表明該技術超越了所有已報道的量子點圖案化方法。

圖 2 | NP–TP 工藝的結構特性及其產生的像素微結構

圖案化RGB URQLED的光電性能

基于上述圖案化工藝，研究團隊制備了標準結構（ITO/PEDOT:PSS/TFB/QDs/ZnMgO/Ag）的RGB URQLED，像素密度為12,700 PPI（圖3a）。引入PVA絕緣層后，器件的暗電流降低了約33倍，有效抑制了像素間的漏電流。其中，紅色PVA絕緣器件的外量子效率達到20.8%，相比無PVA器件提升了約10倍。通過壽命外推，紅色器件在1,000 cd m?2下的T??壽命約為55,949小時，相較于無PVA器件（約46小時）提升了約1,216倍。綠色和藍色URQLED的外量子效率也分別達到14.6%和4.3%。

圖 3 | 無PVA阻擋層、有PVA阻擋層以及具有介電常數優化的PVA阻擋層的圖案化RGB QLED器件的結構和光電性能

微孔中電場的介電調控

盡管PVA層抑制了像素間漏電，但圖案化器件的性能仍落后于非圖案化器件。研究團隊通過COMSOL仿真發現，在550 nm微孔結構中，電場呈現嚴重的不均勻分布，邊緣場強顯著集中（圖4a-b）。這種電場集中效應是導致效率降低和不穩定的關鍵原因。為解決這一問題，團隊通過在PVA中摻入TiO?納米顆粒來調控其介電常數。當TiO?添加量為50 wt%時，PVA層的介電常數提升至6.7，與量子點的介電常數相匹配。仿真結果顯示，介電匹配后，微孔內部的電場分布趨于均勻，邊緣效應得到有效抑制（圖4c）。實驗證實，介電優化后的紅色URQLED峰值外量子效率進一步提升至26.1%，這是目前報道的超過1,000 PPI QLED的最高效率。綠光和藍光器件的外量子效率也分別提升至18.1%和5.1%，同時工作壽命也得到顯著延長（紅色T??達65,190小時）。

圖 4 | 施加偏壓下像素微孔中的模擬電場分布

像素化全彩URQLED

利用NP-TP工藝，研究團隊制備了12,700 PPI的全彩URQLED，其RGB子像素均勻排列（圖5a-c）。器件在不同電壓下展現了清晰分離的紅、綠、藍電致發光峰，色域覆蓋≥85%的Rec. 2020標準（圖5e）。像素化全彩URQLED在白色發光狀態下的峰值外量子效率達到10.1%，遠超通過溶液共混制備的混合白光QLED（6.0%），展現了通過幾何隔離抑制不同顏色量子點間能量轉移的優勢。研究團隊進一步將高性能紅色URQLED與CMOS驅動電路單片集成，成功制備了分辨率為1,920×1,080、像素密度為5,600 PPI的有源矩陣URQLED顯示面板。該面板在0.864×0.486 cm2的面積內實現了每個像素的獨立、精確電學尋址（圖5j-o），展示了NP-TP技術與現有微電子驅動架構的無縫兼容性。

圖 5 | 圖案化 RGB 量子點器件的光電性能及主動矩陣驅動演示

總結與展望

本研究提出的DAFD策略，通過NP-TP技術，成功解決了全彩超高分辨率QLED在圖案化精度、電學隔離與性能衰退方面的核心矛盾。該技術不僅在剛性及柔性基底上實現了對CdSe/ZnS和鈣鈦礦量子點的高保真圖案化，更通過介電工程解決了亞微米像素微結構中的電場非均勻性問題，顯著提升了器件效率與穩定性。所展示的12,700 PPI全彩URQLED及與CMOS集成的有源矩陣顯示器，為面向近眼顯示和沉浸式顯示應用的高性能、可規模化制造的微顯示器技術奠定了堅實基礎。