基于II-VI族半導體CdSe的QLED具有發光效率高、發光色彩可調、色彩鮮艷、結構簡單、可溶液加工等優點，是下一代新型顯示的有力競爭者，在低成本、大面積、廣色域、柔性、印刷顯示等領域具有廣闊的應用前景。為實現全彩QLED顯示，必須對量子點發光層進行精細的圖形化，以形成肩并肩并行排列的紅、綠、藍QLED像素陣列。目前已開發的技術，例如噴墨打印、印章轉印、光刻等，都是直接對量子點進行圖形化，即直接對量子點發光層進行“手術”，切割成點陣的形狀，“手術”操作步驟復雜，并且在多次（一般為3次，以形成紅、綠、藍像素）“手術”的過程中，不可避免會破壞量子點，使得到的QLED性能低于未進行“手術”的QLED。因此，為滿足高分辨率、高性能顯示的需求，需要進一步研究對量子點發光層無損的圖形化技術。

 

為實現超高分辨率、高性能的全彩QLED顯示，陳樹明課題組提出基于微腔光場調控技術的全彩QLED顯示的實現方法。通過采用白光QLED作為載體，并在器件中引入光學諧振腔，利用紅、綠、藍諧振腔分別把白光轉換為紅、綠、藍單色光，從源頭上避免了對量子點直接圖形化帶來的損傷。通過研究微腔光場作用下，白光QLED的激子能量轉移機制及微腔對白光QLED的光譜調制機制，實現低損耗的量子點色彩轉換微腔；通過光刻技術圖形化微腔，實現無彩色濾光片、無需圖形化量子點的高分辨率、高效率、寬色域、低成本、工藝簡單的全彩QLED顯示。
 

圖1全彩QLED陣列的器件結構、工作原理和圖形化方法。

 

如圖1所示，一個全彩色QLED包括三個子器件，分別發射紅、綠、藍光。所有器件的底部采用高反射Ag膜作為反射電極，頂部采用半透明Ag膜作為光出射電極，形成了一個光學諧振腔（顏色轉換腔）。所有器件的發光層都相同，均發射白光，因此無需對量子點發光層進行圖形化。IZO（indium zinc oxide) 作為透明相位調節層，通過調節IZO的厚度來滿足紅、綠和藍光發射的諧振條件，從而使相應的腔有選擇的將量子點發光層發出的白光分別轉換為紅、綠和藍光。在這種結構中，僅需利用成熟的光刻技術對IZO進行圖形化，即可得到高分辨率的紅、綠、藍QLED像素陣列。

圖2器件的性能和發光照片。

 

通過對IZO相位調節層厚度的優化，得到最佳的IZO厚度為50（藍光）、90（綠光）、130nm（紅光）。如圖2所示，在5.5 V電壓下，紅、綠、藍光器件的亮度分別為22170、51930和3064 cd/m2，色彩飽和度高，色域可達111%NTSC。
 

圖3超高分辨率的QLED像素陣列。a) 5 m亞像素的AFM圖像和20 m亞像素的IZO剖面高度曲線。b)圖形化后的全彩QLED照片。c) 光學顯微鏡下的像素化QLED陣列，亞像素為20-5 m。條形亞像素為3-1 m，可達到8000ppi的分辨率。

 

研究團隊提出了可光刻的諧振腔（顏色轉換腔），實現了超高分辨率的像素化紅、綠和藍色QLED陣列（圖3），紅、綠、藍像素可低至5 m，分辨率達1700 ppi；進一步利用電子束光刻，亞像素可低至1 m，分辨率高達8000 ppi。相比噴墨打印、轉印和光刻這些方法，該方法避免了對量子點發光層直接圖形化帶來的損傷，實現了超高分辨率的QLED顯示陣列 ，且可大面積制造。與“白光+彩色濾光片”的方法相比，該方法無需引入彩色濾光片，降低了制造成本且消除了彩色濾光片引起的亮度損失。與OLED的轉換腔相比，QLED顏色轉換腔不僅可以調節器件發射的顏色，還可以對量子點能量轉移進行調制，從而使器件發射出色飽和度更高的紅、綠和藍光，色域可達到111%NTSC。該方法具有無需彩色濾光片、無需對量子點進行直接圖形化、可光刻、色彩飽和、顏色穩定、高亮度和超高分辨率等優點，可在高分辨顯示如移動顯示、微顯示和VR/AR顯示得到潛在的應用。

 

南科大電子與電氣工程系2019級碩士生陳練娜、2020級碩士生覃致遠為共同作者，通訊作者為陳樹明，南科大為論文第一單位。該研究得到了國家自然科學基金面上項目的資助。