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针对卤化物钙钛矿（Perovskite）薄膜与湿法光刻不兼容制约其在超高密度显示等领域应用的问题，研究人员开发自对准近空间升华（sa-CSS）生长钙钛矿量子线，实现 0.18μm 特征尺寸、63,500 ppi 像素密度，还制备全色转换膜，有望推动微显示等发展。
在光电领域的璀璨星空中，微显示与集成光电子器件犹如最耀眼的双子星，吸引着无数科研工作者不懈探索。卤化物钙钛矿（Perovskite）材料凭借其优异的光学和电学性能，在太阳能电池、发光二极管（LED）等领域展现出巨大潜力，然而其与湿法光刻工艺的天然 “隔阂”，成为阻碍其在超高密度显示、高分辨率图像传感器等前沿领域大规模应用的 “拦路虎”。传统湿法光刻中使用的极性溶剂易溶解钙钛矿材料，高强度紫外线（UV）也会对其造成损伤，导致现有钙钛矿器件的像素尺寸长期被困在亚 10 微米级别，像素密度难以突破，与氮化镓（GaN）微 LED 等传统半导体器件的先进水平差距显著。如何打破这一瓶颈，让钙钛矿材料在微纳尺度上 “翩翩起舞”，成为光电领域亟待攻克的关键难题。
为了破解钙钛矿与湿法光刻不兼容的困局，来自相关研究机构的科研团队展开了一场突破性的探索之旅。他们将目光聚焦于钙钛矿量子线（Quantum Wires）的精密操控，致力于开发一种能够实现超高像素密度的新型工艺。这项研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为钙钛矿材料的应用开辟了全新维度。
研究人员采用了一系列关键技术来实现目标。首先是自对准近空间升华（self-aligned close-spaced sublimation，sa-CSS）技术，结合多孔氧化铝膜（Porous Alumina Membrane，PAM）模板，实现了钙钛矿量子线的选择性生长。同时，引入电子束光刻（Electron Beam Lithography，EBL）和反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）等高精度光刻技术，对钙钛矿量子线进行像素化图案加工。此外，通过原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）精确调控 PAM 的孔径，进而控制量子线的直径和能带结构，实现了红、绿、蓝三基色的精准调控。
结果
- 自对准生长机制与像素化工艺：通过 sa-CSS 技术，钙钛矿量子线可在 PAM 的纳米孔内定向生长，而裸露的氟掺杂氧化锡（FTO）表面则不会生长。利用光刻和 EBL 技术，成功制备出特征尺寸小至 0.18 微米的钙钛矿像素图案，像素密度高达 63,500 像素每英寸（ppi），刷新了钙钛矿材料的像素密度纪录。理论计算表明，铅（Pb）与氧化铝（Al?O?）表面氧（O）的强结合能（-2.24 eV）是实现选择性生长的关键，较小的纳米孔尺寸（如 2.6 nm）能显著提高钙钛矿分子的吸附效率，促进量子线的填充生长。
- 全色转换膜的制备与性能：通过 ALD 调控 PAM 孔径，制备出直径分别为 5.7 nm 和 2.66 nm 的 CsPbBr?量子线，实现了绿光（519 nm）和蓝光（482 nm）发射。结合溶液法制备的红光量子线，构建了红、绿、蓝全色转换膜，色 gamut 达 87.7%，光致发光量子产率（PLQY）分别为 24.63%、33.35% 和 37.07%。该全色转换膜与 UVA 微显示面板结合，成功实现了紫外光到红、绿光的高效转换，展示了其在全色显示中的应用潜力。
- 曲面基底上的应用探索：研究人员将钙钛矿量子线薄膜制备在半球形透明基底上，模拟隐形眼镜的曲面结构，证明了该材料在曲面光学器件上的适用性。经计算，人眼在眼球表面可分辨的最小距离为 3.49 微米（对应 7277 ppi），而该研究实现的 63,500 ppi 像素密度完全满足近眼显示的需求，为未来隐形眼镜式微显示器的研发奠定了基础。
结论与讨论
这项研究成功突破了钙钛矿材料与湿法光刻不兼容的瓶颈，通过 sa-CSS 技术与高精度光刻工艺的结合，实现了钙钛矿量子线的超高密度像素化。所制备的全色转换膜和曲面基底器件，展现了钙钛矿材料在超高清显示、近眼显示等领域的巨大应用潜力。此外，该工艺还可扩展至其他钙钛矿器件，如高分辨率图像传感器、忆阻器阵列等，为钙钛矿材料在集成光电子领域的大规模应用铺平了道路。尽管目前在超小尺寸像素的直接光学观测方面仍存在技术挑战，但随着设备和工艺的进一步优化，钙钛矿量子线有望在下一代光电子器件中占据核心地位，引领微纳光学与显示技术的革命。
