三苯基膦介导的环境友好型量子点光刻技术实现外量子效率超过20%的发光二极管

《Nature Communications》：Direct ambient photopatterning of RGB quantum dots for light-emitting diodes with EQE exceeding 20%

本研究针对量子点光学图案化过程中惰性环境要求高和量子点光学性能易受损的难题，开发了一种基于三苯基膦(TPP)的多功能分子策略。研究人员通过TPP同时作为表面配体、光引发剂和氧化保护剂，实现了空气中直接量子点图案化，分辨率高达9534 dpi。所得RGB量子点发光二极管(QLEDs)的外量子效率(EQE)分别达到21.6%(蓝)、25.6%(绿)和20.2%(红)，并成功展示了全彩有源矩阵QLEDs显示器的集成。这项研究为工业显示技术提供了一种可扩展、非破坏性且环境兼容的图案化解决方案。

　　

在显示技术飞速发展的今天，量子点(Quantum Dots, QDs)因其可调发射波长、高色纯度和优异光电性能，正重新定义下一代显示技术的核心架构。然而，量子点的光学图案化一直面临严峻挑战——现有方法要么需要惰性环境，要么在环境条件下会损害量子点的光学性能。特别是对于蓝色发光量子点，其图案化器件的外量子效率(EQE)通常低于12%，远低于未图案化薄膜可达的20%以上效率。这一瓶颈严重制约了量子点显示技术的商业化进程。

近日发表在《Nature Communications》上的研究突破性地开发了一种光刻胶自由策略，利用三苯基膦(Triphenylphosphine, TPP)这一成本低廉、商业可得的小分子，实现了空气中直接量子点图案化。TPP分子巧妙地将表面钝化、光活化和氧化保护功能集于一身，在光照下与大气中的氧气反应触发溶解度变化，从而实现精确图案化。

研究团队采用的核心技术方法包括：多功能分子设计策略、直接光学光刻技术(DOLFIN)、光谱表征技术(紫外-可见吸收光谱、光致发光光谱、时间分辨荧光光谱)、表面分析技术(傅里叶变换红外光谱、核磁共振谱、电子顺磁共振谱)以及量子点发光二极管(QLEDs)器件制备与性能测试。通过系统优化TPP浓度和紫外曝光剂量等关键参数，实现了高效、高分辨率的量子点图案化。

多功能的TPP分子机制

TPP分子在量子点图案化过程中展现出三重功能：作为表面配体有效钝化量子点表面缺陷，使RGB量子点的光致发光量子产率(PLQYs)分别提升至96.1%、94.9%和90.0%；作为光引发剂在紫外照射下产生自由基，诱导配体交联反应；作为牺牲剂优先与空气中的氧气反应，形成三苯基膦氧化物(TPPO)，保护量子点免受光氧化损伤。

非破坏性全彩量子点图案化

基于TPP的图案化方法在环境条件下实现了多尺度全彩图案化，图案分辨率高达9534 dpi，最小特征尺寸为1μm。原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)表征显示，图案化过程不会影响量子点尺寸或引入可观察到的针孔或裂纹，线边缘粗糙度仅为156nm。层-by-layer图案化能力使得能够构建具有高垂直尺寸保真度和优异横向分辨率的三维无机层结构。

高性能量子点发光二极管

图案化RGB QLEDs器件表现出优异的电致发光性能，EQE分别达到21.6%(蓝)、25.6%(绿)和20.2%(红)，与未图案化器件性能相当。特别是蓝色QLEDs的EQE突破性地达到21.6%，是目前报道的图案化蓝色QLEDs中的最高值。器件在1000尼特初始亮度下的T₉₅寿命为135小时，与未图案化器件的159小时相当。

有源矩阵QLEDs显示器集成

研究成功将图案化RGB量子点与薄膜晶体管(TFT)背板集成，实现了全彩有源矩阵QLEDs(AM-QLEDs)显示器。在两种不同像素尺寸的TFT背板(380×650μm和85×140μm)上均实现了精确图案化，最高分辨率达到77ppi，这是目前基于DOLFIN方法制备的全彩AM-QLEDs中的最高分辨率。显示器能够通过蓝牙从计算机传输信号，实现字母、数字甚至中文字符的像素级有源矩阵控制。

这项研究通过巧妙的分子设计，将表面钝化、光活化和氧化保护功能集成于单一的TPP小分子，成功解决了量子点图案化领域长期存在的环境敏感性和性能损失难题。该策略不仅实现了高效率、高分辨率的全彩量子点图案化，还首次展示了蓝色量子点在TFT电路中的成功集成，为下一代显示技术的发展提供了可行的技术路径。更重要的是，该方法展现出优异的Cd-free量子点兼容性，为行业向无镉、环境可持续解决方案的转变提供了有力支持。这种基于商业可得小分子的简约而高效的设计理念，为未来多功能分子在特定量子点系统和器件架构中的定制化设计提供了重要参考。