北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在圖案化藍(lán)色量子點(diǎn)發(fā)光二極管領(lǐng)域取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-08-20 供稿：材料學(xué)院 攝影：材料學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院賀志遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)和中科院理化技術(shù)研究所吳雨辰研究員團(tuán)隊(duì)合作，在量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）技術(shù)領(lǐng)域取得突破，研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)一種芳香增強(qiáng)的毛細(xì)管橋限域策略，成功實(shí)現(xiàn)了藍(lán)色量子點(diǎn)（QD）的長(zhǎng)程有序排列，顯著提升了QLED的性能和穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以“Long-range order enhance performance of patterned blue quantum dot light-emitting diodes”為題在《Nature Communications》上發(fā)表，北京理工大學(xué)碩士生賈玉玉為論文第一作者。
量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）因其低能耗、窄帶發(fā)射光譜、高對(duì)比度等特性，被認(rèn)為是下一代顯示技術(shù)的理想選擇。目前，紅色和綠色QLED在效率和穩(wěn)定性方面已接近商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，但藍(lán)色QLED，尤其是圖案化藍(lán)色QLED，仍面臨效率低、穩(wěn)定性差和分辨率不足等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)圖案化方法容易導(dǎo)致量子點(diǎn)排列無(wú)序，引發(fā)非輻射復(fù)合和電荷泄漏，從而降低器件性能。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)色量子點(diǎn)長(zhǎng)程有序排列的高效策略，對(duì)于推動(dòng)QLED的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。
要點(diǎn)一：藍(lán)色量子點(diǎn)由于尺寸較小，粒子間相互作用較弱，導(dǎo)致其在圖案化過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)有序排列。針對(duì)這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了一種芳香增強(qiáng)的毛細(xì)管橋限域組裝策略，通過(guò)引入短鏈芳香配體（3-氟肉桂酸，3-F-CA）增強(qiáng)量子點(diǎn)間的相互作用，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)色量子點(diǎn)的長(zhǎng)程有序排列。
圖1 3-F-CA對(duì)量子點(diǎn)性能的影響
要點(diǎn)二：通過(guò)溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)三相接觸線定向滑動(dòng)，在微孔內(nèi)形成有序陣列。借助3-F-CA的分子間作用力，克服流體動(dòng)力學(xué)干擾，實(shí)現(xiàn)精度可控的量子點(diǎn)排列。所得陣列表面粗糙度顯著降低，掠入射小角X射線散射觀測(cè)到清晰布拉格衍射斑點(diǎn)。長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)使載流子遷移率提升，電荷泄漏減少。
圖2 長(zhǎng)程有序量子點(diǎn)陣列的制備和性能
要點(diǎn)三：將長(zhǎng)程有序陣列集成至QLED器件中，實(shí)現(xiàn)突破性性能：峰值外量子效率24.1%，亮度超10萬(wàn)尼特（101,519 cd m-2），較無(wú)序器件提升5倍，工作壽命達(dá)到54小時(shí)，較無(wú)序器件提升3.6倍。有序結(jié)構(gòu)還改善散熱，連續(xù)工作10小時(shí)后器件表面溫度比無(wú)序結(jié)構(gòu)低6.7 ℃。
圖3 QLED的性能表征
要點(diǎn)四：基于該技術(shù)團(tuán)隊(duì)成功制備了最小3 μm×3 μm像素的藍(lán)色QLED陣列，分辨率突破5000 PPI。不同像素尺寸器件性能統(tǒng)計(jì)顯示：3μm像素器件仍保持18.3%的平均效率、7.3萬(wàn)尼特亮度及48小時(shí)的工作壽命。構(gòu)建的10 mm×10 mm顯示設(shè)備可實(shí)現(xiàn)清晰圖像輸出，528像素區(qū)域良率達(dá)99.6%。該策略同時(shí)適用于紅綠量子點(diǎn)，為全彩QLED顯示提供統(tǒng)一解決方案。
圖4 高分辨率QLED器件和靜態(tài)電致發(fā)光圖案展示
本研究通過(guò)芳香增強(qiáng)與毛細(xì)管橋限域組裝的協(xié)同作用，成功實(shí)現(xiàn)了藍(lán)色量子點(diǎn)的長(zhǎng)程有序排列，制備的QLED器件的峰值外量子效率24.1%，最高亮度達(dá)到101,519 cd m-2。器件的最小像素尺寸達(dá)到3微米，分辨率超過(guò)5000 PPI，為高分辨率顯示應(yīng)用提供了新的解決方案。這項(xiàng)研究為量子點(diǎn)材料的自組裝和圖案化技術(shù)提供了新思路，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)，該技術(shù)有望在柔性顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為下一代顯示技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟新方向。
文章鏈接：
Jia, Y., Li, H., Guo, N. et al. Long-range order enhance performance of patterned blue quantum dot light-emitting diodes. Nat Commun 16, 7643 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62345-1
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