通过电液动力（EHD）喷射印刷技术实现高分辨率图案化，用于量子点发光二极管

《Journal of the Society for Information Display》：High-Resolution Patterning via Electrohydrodynamic (EHD)-Jet Printing for Quantum Dot Light-Emitting Diodes

高分辨率印刷技术对电致发光量子点LED的应用至关重要，本研究通过EHD-jet打印在柔性PEN基板上成功制备了常规和倒置结构的绿光QD-LED。采用亲水/疏水像素定义层（PDL）结合连续喷射模式，实现了高精度图案化，倒置结构在542nm处表现出尖锐的绿光发射（FWHM=46nm），验证了电荷平衡与均匀层沉积的有效性。

　　高分辨率打印技术在量子点发光二极管（QD-LEDs）领域具有重要意义，尤其是在高端显示应用如增强现实（AR）和虚拟现实（VR）显示中。这项研究成功展示了利用电喷墨（EHD-jet）打印技术对聚(3,4-乙炔二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）、氧化锌（ZnO）纳米颗粒（NPs）以及基于InP的量子点/有机纳米杂化材料进行图案化处理，并在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PEN）基底上制造了绿色发射的常规和倒置结构的QD-LEDs。研究还展示了电喷墨打印系统中引入疏水性像素定义层（PDL）以及连续喷墨模式对图案化过程的优化效果，从而实现了高质量的电致发光（EL）性能。

在传统显示技术中，量子点材料因其优异的发光特性和可调谐的色域而备受关注。然而，要实现全彩RGB QD-LEDs的稳定显示，对功能材料的图案化提出了更高要求。目前，虽然已有大量研究聚焦于利用传统光刻工艺结合可交联的量子点配体或载流子传输材料进行图案化，但这种方法仍然存在诸多挑战。例如，多步光刻工艺可能导致量子点层或载流子传输材料的损坏，同时增加了材料消耗和制造成本，限制了其在商业化中的应用潜力。相比之下，先进的打印技术在简化制造流程、降低成本方面展现出更大的优势。特别是按需打印技术，能够将材料损耗控制在10%至15%之间，从而显著提升生产效率和经济性。

然而，传统的喷墨打印技术在实现高分辨率图案化方面存在一定的局限性，其喷嘴直径决定了最小可打印液滴尺寸，通常难以达到300–500像素每英寸（PPI）以上的精度要求。此外，多层结构的均匀沉积也对现有技术提出了更高的挑战。为了解决这些问题，研究团队引入了一种新型的打印技术——电喷墨打印，该技术通过强大的静电场驱动，可以生成比喷嘴直径小2–5个数量级的液滴，从而实现更精细的图案化。同时，EHD-jet打印技术对墨水粘度和表面张力的适应性更强，适用于更广泛的材料体系。

本研究重点探讨了如何通过EHD-jet打印技术实现对多种功能材料的高精度图案化。其中，PEDOT:PSS被用作空穴注入层（HIL），ZnO纳米颗粒作为电子传输层（ETL），而InP基量子点/有机纳米杂化材料则作为发光层（EML）。为了确保打印过程的稳定性和图案的一致性，研究中引入了疏水性像素定义层（PDL）作为图案化的辅助结构。PDL通过其低表面能特性，有效限制了墨水在打印区域的扩散，从而提高了图案的精度和均匀性。此外，EHD-jet打印的连续喷墨模式能够在保证高分辨率的同时，提高打印效率和材料利用率。

在图案化过程中，不同的材料需要根据其物理性质进行优化。例如，PEDOT:PSS墨水由于其较高的电导率和粘度，适合使用较细的喷嘴（10微米内径）进行打印，而ZnO纳米颗粒和量子点/有机杂化墨水由于其较低的电导率和粘度，通常需要更大的喷嘴（15微米内径）以确保稳定的喷墨行为。此外，打印速度、工作电压以及喷嘴与基底之间的距离等参数也被精细调控，以实现最佳的图案化效果。通过调整这些参数，研究团队成功地在PEN基底上实现了338 PPI的RGB显示结构，显示出优异的图案质量和均匀性。

在实际应用中，打印的QD-LEDs不仅需要高分辨率，还需要具备良好的电致发光性能。研究中发现，倒置结构的QD-LEDs在电致发光谱中表现出明显的绿色发射，其峰值波长为542纳米，半高宽（FWHM）为46纳米，这表明其发光层具有较高的均匀性和良好的载流子平衡。相比之下，常规结构的QD-LEDs虽然在图案化过程中表现出一定的性能，但其发光特性仍需进一步优化。这主要是因为常规结构中的发光层通常由量子点和两种类型的有机载流子传输材料（n型和p型）组成，而这些材料的协同作用对于实现高效发光至关重要。

在实验过程中，研究团队还通过一系列优化手段提高了打印过程的稳定性和重复性。例如，利用光刻技术对PDL进行图案化，随后通过干法刻蚀去除未被使用的区域，从而在基底上形成具有高对比度的图案结构。这种设计不仅有助于限制墨水的扩散，还提高了打印的精确度和均匀性。此外，通过控制打印速度和电压，研究团队能够实现对不同材料厚度的精细调节，从而优化发光性能和载流子传输效率。

为了进一步验证打印效果，研究团队对所制备的QD-LEDs进行了多种表征手段，包括荧光显微镜、电致发光显微镜以及光谱分析等。这些测试结果表明，打印的QD-LEDs在发光层的均匀性和图案化精度方面表现出色，且能够实现稳定的电致发光输出。特别是在倒置结构中，通过将n型和p型有机载流子传输材料与量子点相结合，实现了更高效的载流子注入和传输，从而显著提升了发光效率和稳定性。

尽管本研究在高分辨率打印和电致发光性能方面取得了显著进展，但仍存在一些可以进一步优化的方向。例如，当前的发光亮度和电流密度仍有提升空间，尤其是在高电压下的表现。此外，由于打印过程中涉及多层材料的沉积，如何确保各层之间的界面质量以及整体的稳定性，仍然是未来研究的重点。通过进一步优化干燥条件、层厚控制以及材料配方，有望实现更高效的器件性能。

本研究的成果为QD-LEDs的商业化应用提供了重要的技术支持。通过采用EHD-jet打印技术，不仅能够降低制造成本，还能提高生产效率，从而推动这一新型显示技术的发展。此外，研究团队还指出，未来的工作将聚焦于其他颜色的QD-LEDs以及进一步减少打印步骤，以实现更高效的制造流程。随着这些技术的不断进步，基于量子点的柔性显示技术有望在未来的消费电子市场中占据重要地位。