福州大學(xué)《Nature》：三重突破！首次實現(xiàn)超高分辨全彩QLED“像素級完美”

在近眼顯示（AR/VR）向“視網(wǎng)膜級分辨率”（>10,000 PPI）演進的過程中，量子點發(fā)光二極管（QLEDs）被廣泛認為是最具潛力的技術(shù)路徑之一。然而，在亞微米像素尺度下，如何同時實現(xiàn)高保真圖案、全彩集成、高效率與長壽命，始終是制約該領(lǐng)域發(fā)展的核心科學(xué)與工程難題。

針對這一關(guān)鍵瓶頸，福州大學(xué)李福山團隊從納米制造工藝與器件物理機制兩個層面開展系統(tǒng)性研究，提出并實現(xiàn)了一體化解決方案，實現(xiàn)了超高分辨全彩QLED的“像素級完美”，并建立了結(jié)構(gòu)—電場—性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。相關(guān)研究成果以題為Nanoscale transfer-printed full-colour ultrahigh-resolution quantum dot LEDs發(fā)表在《Nature》上，青年教師林立華為論文第一作者，李福山研究員為通訊作者，福州大學(xué)為第一完成單位。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家科技重大專項課題及國家自然科學(xué)基金面上項目的資助支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10333-w

在工藝層面，本研究開發(fā)了犧牲層輔助的硬質(zhì)納米壓印—整體倒置轉(zhuǎn)印（NP–TP）技術(shù)，實現(xiàn)了亞微米尺度全彩量子點像素陣列100%“高保真+轉(zhuǎn)移產(chǎn)率”構(gòu)建。通過引入可重復(fù)使用的硬質(zhì)硅模板，實現(xiàn)了模板限定的精確結(jié)構(gòu)復(fù)制，在9,072至25,400 PPI范圍內(nèi)均保持穩(wěn)定的圖案精度，有效避免了傳統(tǒng)軟印章在高分辨率條件下的形變與失效。在此基礎(chǔ)上，提出“雙作用力動力學(xué)（Dual-Action Force Dynamics, DAFD）”策略，通過壓印過程中的垂直壓縮與釋放后的橫向彈性收縮協(xié)同作用，實現(xiàn)量子點在像素微孔內(nèi)的致密重排與無空隙填充，從而在像素尺度上獲得高致密性與高結(jié)構(gòu)保真度，顯著抑制納米尺度發(fā)光不均勻性。

進一步地，通過整體倒置轉(zhuǎn)印策略，將量子點像素陣列與蜂窩狀絕緣框架一次性完整轉(zhuǎn)移至目標基底；其中，PVB犧牲層在壓印階段保障微結(jié)構(gòu)復(fù)制完整性，在轉(zhuǎn)印過程中提供關(guān)鍵保護，并在剝離后暴露出潔凈、無殘留的像素陣列表面，從而有效消除傳統(tǒng)多色圖案化中的殘留污染與RGB串色問題，實現(xiàn)全彩像素的高純度與高一致性。此外，該工藝在柔性/非平面基底及鈣鈦礦量子點等多材料體系中均表現(xiàn)出優(yōu)異適用性，依托PDMS彈性支撐與蜂窩絕緣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分散作用，可在彎曲條件下實現(xiàn)納米級高保真RGB圖案轉(zhuǎn)印并保持穩(wěn)定電學(xué)性能；同時，該工藝避免高溫與光刻步驟，兼容鈣鈦礦量子點等環(huán)境敏感材料，實現(xiàn)與傳統(tǒng)體系一致的高質(zhì)量圖案化。NP–TP不僅具備極限分辨能力，更具有跨基底、跨材料的通用納米制造潛力。

圖1| NP–TP工藝及DAFD機制驅(qū)動的高保真量子點圖案化

在物理機制層面，本工作進一步識別并系統(tǒng)揭示了一個此前被忽視的關(guān)鍵限制因素，即亞微米限域像素結(jié)構(gòu)中由幾何約束引發(fā)的電場重構(gòu)及其非均勻分布。電場模擬與實驗結(jié)果表明，微孔邊緣存在顯著的電場集中效應(yīng)，該局域增強電場會引發(fā)電流擁擠、非輻射復(fù)合增強以及局部熱積累，從而成為限制器件效率與穩(wěn)定性的主導(dǎo)機制。基于此，研究提出通過在電荷阻擋層中引入TiO?納米顆粒實現(xiàn)介電常數(shù)匹配，使其與量子點發(fā)光層相協(xié)調(diào)，從而有效均勻化微孔內(nèi)部電場分布并抑制邊緣效應(yīng)。通過系統(tǒng)性的“光學(xué)效應(yīng)排除與電場調(diào)控驗證”，明確建立了“介電匹配→電場均勻化→性能提升”的因果關(guān)系。由此，在12,700 PPI分辨率下，紅光QLED實現(xiàn)了26.1%的峰值外量子效率（EQE）和65,190小時（T95@1000 cd m?2）的超長壽命，達到當前高分辨率QLED的領(lǐng)先水平；同時，綠光與藍光器件的EQE分別提升124%和119%。

圖2 | 電場非均勻性起源及TiO?介電匹配實現(xiàn)的電場均勻化與性能提升

在系統(tǒng)集成方面，RGB像素化白光器件實現(xiàn)了10.1%的EQE，刷新了高分辨率全彩QLED的性能記錄。進一步地，通過與CMOS驅(qū)動電路的單片集成，成功演示了基于溶液工藝的主動矩陣QLED動態(tài)顯示原型，驗證了該技術(shù)體系在實際顯示應(yīng)用中的可行性。

圖3 | 超高分辨全彩QLED的系統(tǒng)集成與主動矩陣顯示驗證

總體而言，本工作實現(xiàn)了從納米圖案化工藝、電場調(diào)控機制到系統(tǒng)級顯示驗證的全鏈路突破，不僅解決了超高分辨QLED“如何實現(xiàn)”的制造問題，更從物理本質(zhì)上闡明了限域像素結(jié)構(gòu)中電場分布對器件性能的決定性作用，并提出了具有普適性的介電匹配策略。這一“納米結(jié)構(gòu)設(shè)計—電場調(diào)控—性能提升”的研究范式，為下一代高性能近眼顯示技術(shù)提供了關(guān)鍵理論基礎(chǔ)與可行工程路徑。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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