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廈門大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究突破:量子點(diǎn)發(fā)光微球?qū)崿F(xiàn)超高效和明亮的Micro-LEDs

編輯: 2025-06-04 16:47:02 瀏覽:434  來(lái)源:

微米級(jí)發(fā)光二極管(Micro- LED)以其超高分辨率、超高亮度、響應(yīng)速度快、高對(duì)比度、低功耗等特點(diǎn)被認(rèn)為是下一代顯示技術(shù)。然而,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)III-V半導(dǎo)體LED小型化到微尺度(≤50µm)的過(guò)程中,面臨著綠色和紅色LED輻射效率急劇下降、傳質(zhì)困難、紅綠藍(lán)(RGB)像素驅(qū)動(dòng)電壓失配等技術(shù)和性能方面的挑戰(zhàn),嚴(yán)重影響了其商業(yè)化進(jìn)程。為了解決這些問(wèn)題,采用納米級(jí)尺寸、高效率、窄帶發(fā)射、高色純度的紅、綠量子點(diǎn)(QDs)作為顏色轉(zhuǎn)換材料,與藍(lán)色微型LED結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了全彩微型LED顯示。該方法有望簡(jiǎn)化傳質(zhì),易于驅(qū)動(dòng)電路,成本低。

然而,由于量子點(diǎn)在藍(lán)色區(qū)域的消光系數(shù)低,量子點(diǎn)的光提取效率(LEE)較差,導(dǎo)致量子點(diǎn)轉(zhuǎn)換的微型LED藍(lán)光泄漏嚴(yán)重,發(fā)光效率低,因此量子點(diǎn)顏色轉(zhuǎn)換層(CCL)的性能仍然較低。最近,通過(guò)將量子點(diǎn)嵌入到納米多孔GaN中,并在器件中添加濾色器(CF)或分布式布拉格反射器(DBR)來(lái)吸收或反射量子點(diǎn)無(wú)法吸收的殘留藍(lán)光,可以有效地抑制藍(lán)光泄漏。然而,這些方法不可避免地會(huì)增加功耗,降低視角,并增加微型LED顯示屏的表面溫度。此外,對(duì)于傳統(tǒng)的QD顯示器,QD CCL被夾在兩個(gè)厚度高達(dá)260微米的水氧阻隔層之間,以提高顯示器的可靠性這種策略不適合微型LED,因?yàn)殚L(zhǎng)寬比會(huì)顯著增加,這使得小像素(<50µm)的圖案難以形成。雖然可以通過(guò)涂覆二氧化硅殼、氧化鋁殼或硅氧烷配體來(lái)制備更薄、更穩(wěn)定的量子點(diǎn)像素,而無(wú)需使用水-氧屏障層,從而提高量子點(diǎn)的PL穩(wěn)定性,但由于硅烷水解、表面配體修飾或原子層沉積(ALD)對(duì)量子點(diǎn)表面的破壞和較低的藍(lán)色吸收率,從而大大降低了量子點(diǎn)的顏色轉(zhuǎn)換性能,增加了非輻射復(fù)合。因此,構(gòu)建同時(shí)具有優(yōu)異色彩轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異PL穩(wěn)定性的量子點(diǎn)材料是實(shí)現(xiàn)高可靠性全彩微型LED的關(guān)鍵。

樹(shù)突狀介孔硅球(dms)具有直徑可調(diào)、介孔豐富、高折射率、優(yōu)異的光學(xué)透過(guò)率和較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。因此,將量子點(diǎn)封裝在dms的介孔中,可以提高量子點(diǎn)的顏色轉(zhuǎn)換性能和可靠性。介孔的空間限制作用降低了量子點(diǎn)的重吸收,使量子點(diǎn)與水和氧分離。此外,在介孔和填料之間形成的光學(xué)微腔改善了激發(fā)光和發(fā)射光的局部光場(chǎng)。然而,有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決,如:如何在密封過(guò)程中抑制有機(jī)配體脫落并減少對(duì)量子點(diǎn)表面的損傷;封裝結(jié)構(gòu)如何影響顏色轉(zhuǎn)換性能。

廈門大學(xué)解榮軍、黃凱、宣曈曈等人展示了綠色和紅色量子點(diǎn)發(fā)光微球,同時(shí)具有高顏色轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的PL穩(wěn)定性,從而實(shí)現(xiàn)超高效和明亮的RGB微型LED。采用濕法合成了平均直徑為220 nm的鎘基QD@dMS@聚馬來(lái)酸酐十八烯(PMAO)@SiO2(QD@dMS@PMAO@SiO2)發(fā)光微球,其中PMAO作為量子點(diǎn)與SiO2殼層之間的橋梁。PMAO不僅可以抑制配體脫落,還可以抑制3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的水解,從而破壞量子點(diǎn)的表面。結(jié)果表明,該微球具有較高的外光致發(fā)光量子效率(EQY)和對(duì)藍(lán)光、熱和水氧的優(yōu)異PL穩(wěn)定性。將時(shí)域有限差分(FDTD)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合,揭示了顏色轉(zhuǎn)換性能的改善機(jī)理。最后,綠色和紅色微型LED的最大外部量子效率(EQEs)分別達(dá)到40.8%和22.0%。它們進(jìn)一步與薄膜晶體管(TFT)背板集成,實(shí)現(xiàn)高像素分辨率和高亮度的微型LED顯示屏。

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