夜雨聆风
背景介绍胶体量子点因其发射光谱可调、色纯度高、发光效率优异等特点，在量子点发光二极管（QLED）、光电探测器和太阳能电池等领域具有广阔应用前景。实现高质量、高分辨率的量子点微图案是实现高性能QLED器件的关键工艺，因为微图案的均匀性和像素尺寸显著影响载流子行为。随着微显示技术的快速发展，制备兼具微米级高分辨率和毫米/厘米级大面积均匀性的量子点微图案成为迫切需求，然而现有策略受限于分辨率不足或依赖复杂微模板辅助工艺，导致器件性能劣化。如何在无需模板的条件下实现大面积、高分辨率量子点微图案的可控构筑，并兼顾其电致发光性能，是该领域面临的核心科学挑战。
创新性中国科学技术大学苏州高等研究院与北京航空航天大学刘欢教授团队在最新研究中，提出了一种基于锥形纤维阵列引导的无模板直写策略，成功制备了线宽仅2 μm、面积达~10 cm²的周期性厚度调制量子点微线阵列。该工作打破了传统依赖微模板实现高分辨率的范式，传统光刻和转移印刷虽可实现高分辨图案，却因光刻胶残留或转移不均导致器件性能下降；而该策略利用周期性去润湿驱动的增强毛细流动，在全局液膜中形成正反馈沉积，实现了大面积均匀的周期性量子点组装。在此基础上，研究者构建了周期性共形互补量子点/PMMA异质结构双层膜，利用厚度差异自主调控界面电荷分布，为高性能微图案QLED提供了全新器件架构。
成果突破该微图案化红色QLED在2 μm线宽下实现了21.4%的外量子效率，亮度达7.5×10⁴ cd m⁻²（6 V驱动），最大电流效率为19.7 cd A⁻¹。导电原子力显微镜表征证实，PMMA层的周期性厚度调制有效抑制了薄量子点区域的电子注入，引导载流子横向迁移至厚量子点区域复合发光，从而实现了图案化电致发光。光学分析表明，量子点/PMMA折射率差异使广角光提取效率提升14.1%。该策略同样适用于绿色、蓝色及混合青色微图案QLED，且初始量子点溶液浓度仅需5 mg mL⁻¹，兼具低成本和工艺普适性。
图1 | 无模板直写策略制备量子点微图案。 （a）锥形纤维阵列引导直写过程示意图，在适当加热的衬底上制备图案化量子点薄膜。 （b）所制量子点微图案示意图，量子点紧密堆积成超细微线阵列，周期性地平行排列；区域（b₁）和（b₂）的形貌由原子力显微镜表征。 （c, d）不同放大倍数下所制红色和绿色量子点微图案的荧光图像，显示高度有序的微线阵列，线宽为2 μm；放大图像（c₁, c₂, d₁, d₂）证实其结构由微线间极薄量子点层构成。 （e）图案化量子点薄膜在微线处（e₁）和间隔处（e₂）的扫描电子显微镜图像。
图2 | 具有周期性共形互补量子点/PMMA双层膜的高分辨率图案化QLED器件。 （a, b）以图案化量子点/PMMA异质结构双层膜为发光层的QLED器件结构示意图；黑色弧虚线为光路中全反射临界角θc，射线1、2、3、4为器件中量子点/PMMA双层膜结构捕获的光。 （c, d）图案化量子点及旋涂PMMA后对应量子点/PMMA双层膜的原子力显微镜表征。 （e）不同视角下图案化量子点薄膜的归一化光致发光强度。 （f）所制高分辨率图案化红色（f₁）、绿色（f₂）、蓝色（f₃）QLED器件的电致发光图像；（f₄, f₅）大面积图案化红色QLED及其在不同视角下的电致发光光谱。 （g）3 V电压驱动下所制QLED器件的放大电致发光图像（g₁–g₄）。 （h, i）图案化红色QLED器件的电致发光特性。 （j）近期文献中报道的图案化QLED的外量子效率、线宽、有源发光面积及初始量子点溶液浓度对比（T：转移印刷；P：直接光刻光化学反应；E：远程外延生长；O：文献未指定量子点溶液适用浓度）。 （k）青色QLED器件的电致发光图像。
图3 | 周期性共形互补图案化量子点/PMMA双层膜的电学特性。 （a）电压驱动下量子点/PMMA双层膜中电荷注入轨迹示意图；H₁、H₂为量子点层厚度，h₁、h₂为PMMA层厚度（a₁），“±”表示促进/抑制电荷注入发光层（a₂）。 （b）具有周期性微结构的图案化量子点的原子力显微镜形貌图（b₁）及高度轮廓（b₂）。 （c, d）图案化量子点薄膜在旋涂PMMA前（c₁）和旋涂后（d₁）的电荷分布（导电原子力显微镜表征）及对应峰值电流轮廓（c₂, d₂）。 （e, f）不同厚度PMMA层对全平滑功能层QLED电致发光性能的影响及对应外量子效率-电流密度曲线。 （g–j）具有周期性共形互补量子点/PMMA双层膜发光层的红色QLED（g, h）与全平滑功能层器件（i, j）的电流密度和亮度-电压特性。
图4 | 直写制备周期性厚度调制量子点微图案的机理。 （a, b）锥形纤维阵列引导下，量子点溶液在适当加热衬底上的转移及后续微图案化过程示意图；微图案由间距为λ的微线区域A和交替排列的间隔区域B组成；增强的局部浓度梯度加速外向毛细流动，形成正反馈模式，促进量子点周期性沉积。 （c, d）直写过程的原位显微观察；侧视图显示三相接触线钉扎（c₁）及由此导致的液膜变形和断裂（c₂）；俯视图（d）中以箭头标示液体前沿边缘。 （e–g）通过在25 °C、60 °C和90 °C温度下调控动态平衡，分别制备的均匀量子点薄膜（e）、周期性图案化量子点薄膜（f）和边缘清晰的高分辨率图案化量子点薄膜（g）。
图5 | 衬底温度对量子点微图案形貌的影响。 （a–d）在50 °C（a）、70 °C（b）、110 °C（c）和130 °C（d）衬底温度下所制图案化量子点的荧光图像。 （e, f）不同温度下代表性微图案的示意图（e₁–e₄）及50 °C（f₁）和120 °C（f₂）下的荧光图像。 （g, h）直写速度对微图案形貌的影响示意图（g₁–g₄）及0.1 mm s⁻¹（h₁）和7 mm s⁻¹（h₂）下的荧光图像。 （i）不同溶液浓度（1 mg mL⁻¹、5 mg mL⁻¹）下间距λ与温度T的关系。 （j）最优温度T、溶剂沸点t、表面张力γ、线宽d和线间距λ的关系；横坐标表示溶剂表面张力递减方向（从水到正壬烷）。
成果影响力该工作建立了一种无需光刻胶、无需复杂模板的大面积高分辨率量子点微图案直接制备方法，解决了高分辨图案化与高性能电致发光难以兼得的长期矛盾。所构筑的周期性厚度调制异质结构为调控载流子注入和光提取提供了新自由度，其方法学可推广至其他胶体纳米材料体系。该策略兼具科学价值与工程潜力，为低成本、大面积微显示器件和下一代高分辨率QLED面板提供了可行技术路径，有望推动量子点显示技术向更高像素密度和更优能效方向发展。