南科大陈树明课题组实现高分辨率全彩色量子点发光二极管显示阵列
2022年01月10日 科研新闻 浏览量 :786

近日,南方科技大学电子与电气工程系副教授陈树明课题组提出一种基于微腔光场调控技术的全彩色量子点发光二极管(QLED)显示的方法,实现了分辨率高达1700 像素每英寸(ppi)的全彩色QLED显示阵列,并可进一步提高至8000 ppi。相关研究成果“Ultrahigh Resolution Pixelated Top-Emitting Quantum-DotLight-Emitting Diodes Enabled by Color-Converting Cavities“以封面文章的形式发表在学术期刊Small Methods上,并被列入“编辑精选(Editor’s Choice)“。

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基于II-VI族半导体CdSe的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。目前已开发的技术,例如喷墨打印、印章转印、光刻等,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,“手术”操作步骤复杂,并且在多次(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。

为实现超高分辨率、高性能的全彩QLED显示,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。

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图1全彩QLED阵列的器件结构、工作原理和图形化方法。

如图1所示,一个全彩色QLED包括三个子器件,分别发射红、绿、蓝光。所有器件的底部采用高反射Ag膜作为反射电极,顶部采用半透明Ag膜作为光出射电极,形成了一个光学谐振腔(颜色转换腔)。所有器件的发光层都相同,均发射白光,因此无需对量子点发光层进行图形化。IZO(indium zinc oxide) 作为透明相位调节层,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量子点发光层发出的白光分别转换为红、绿和蓝光。在这种结构中,仅需利用成熟的光刻技术对IZO进行图形化,即可得到高分辨率的红、绿、蓝QLED像素阵列。

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图2器件的性能和发光照片。

通过对IZO相位调节层厚度的优化,得到最佳的IZO厚度为50(蓝光)、90(绿光)、130nm(红光)。如图2所示,在5.5 V电压下,红、绿、蓝光器件的亮度分别为22170、51930和3064 cd/m2,色彩饱和度高,色域可达111%NTSC。

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图3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8000ppi的分辨率。

研究团队提出了可光刻的谐振腔(颜色转换腔),实现了超高分辨率的像素化红、绿和蓝色QLED阵列(图3),红、绿、蓝像素可低至5 µm,分辨率达1700 ppi;进一步利用电子束光刻,亚像素可低至1 µm,分辨率高达8000 ppi。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 ,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。

南科大电子与电气工程系2019级硕士生陈练娜、2020级硕士生覃致远为共同作者,通讯作者为陈树明,南科大为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金面上项目的资助。

 

论文链接:

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

 

供稿:电子与电气工程系

通讯员:李佰英

主图:丘妍

编辑:朱增光

 


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