《ACS Applied Materials & Interfaces》：Capillary-Assisted Ultrafast and Large-Area Perovskite Nanocrystal Patterning Technology for Color Conversion Micro-LED Displays
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钙钛矿纳米晶（PNCs）作为全彩微LED显示器的彩色转换层（CCLs）展现出巨大潜力，提供高分辨率、优异的色纯度和扩展的色域。然而，实现大面积、高效且直接的PNC阵列图案化仍是一个重大挑战。在此，研究人员提出了毛细管辅助的超快PNC图案化（CAP）技术，通过将
钙钛矿纳米晶（PNCs）作为全彩微LED显示器的彩色转换层（CCLs）展现出巨大潜力，提供高分辨率、优异的色纯度和扩展的色域。然而，实现大面积、高效且直接的PNC阵列图案化仍是一个重大挑战。在此，研究人员提出了毛细管辅助的超快PNC图案化（CAP）技术，通过将通孔玻璃（THG）浸入PNC胶体、毛细管填充和溶剂蒸发过程，将PNC沉积到激光加工的通孔玻璃中，形成微米级阵列。在约2分钟内制备了70 cm2的单色PNC CCL。由于合理的PNC设计和温和、非破坏性的CAP工艺，CCLs在环境储存100天和连续蓝光照射4小时后仍保持高光致发光量子产率。最后，使用CAP制备的红/绿CCLs的0.7英寸概念验证全彩微LED面板表现出优异的彩色转换性能，突显了其在先进显示器中可扩展、高质量PNC图案化的潜力。
论文解读文章：
**研究背景与问题**
微发光二极管（micro-LED）显示器作为下一代显示技术，具有高发光效率、低能耗、快速响应、超高对比度和分辨率、色彩鲜艳及长寿命等优势，有望在多个领域引发视觉革命。然而，实现像素的全彩化仍是一个关键挑战。目前大多数micro-LED产品依赖红、绿、蓝三色芯片的组装，这需要耗时且昂贵的大规模转移技术，并因三色子像素工作电压差异而导致驱动系统复杂化。为规避转移成本和技术复杂性，研究人员提出了彩色转换策略，即通过预图案化荧光材料将底层蓝光（或紫外光）转换为红光和绿光。此策略要求荧光材料具备窄光致发光（PL）线宽、高光致发光量子产率（PLQY）、快速响应、优异稳定性和小粒径。钙钛矿纳米晶（PNCs）因其高分辨率、高色纯度和宽色域特性，成为构建CCLs的理想候选材料。但现有图案化技术（如光刻、喷墨打印、激光加工和微流体）均无法同时满足高速、大面积、低成本和对荧光材料性能的最小损伤。因此，开发一种超快、大面积、低损伤和低成本的荧光材料图案化技术，对推动彩色转换全彩micro-LED显示技术的产业化和工业化至关重要。
**研究内容与结论**
研究人员提出了毛细管辅助的超快PNC图案化（CAP）技术，这是一种可扩展的PNC图案化方法，通过将PNC沉积到激光加工的通孔玻璃（THG）基板中，利用毛细管填充、溶剂蒸发和去除多余PNC的过程，在约2分钟内制备了超过70 cm2的单色红/绿PNC CCL。该技术基于合理的PNC设计和温和、非破坏性的工艺，使得CCLs在环境储存100天和连续蓝光照射4小时后仍保持高PLQY。通过将红/绿CCLs与0.7英寸蓝光micro-LED芯片键合，成功制备了全彩micro-LED显示面板，展示了均匀的子像素发光和宽色域，验证了CAP技术在实现可扩展、高质量PNC图案化方面的潜力。该研究发表于《ACS Applied Materials》，为全彩micro-LED显示的产业化提供了新途径。
**主要关键技术方法**
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
1. **激光诱导蚀刻法制备THG**：使用Yb:YAG激光（波长1030 nm）烧蚀200 μm厚石英玻璃，再经10%氢氟酸（HF）蚀刻形成通孔阵列，其中部分THG表面沉积Cr/Au层作为光阻挡层。
2. **毛细管填充与溶剂蒸发**：将THG浸入低沸点溶剂（如正己烷）分散的PNC胶体约10秒，利用玻璃的亲脂性使胶体通过毛细作用快速填充微米级孔阵列，随后通过溶剂蒸发沉积PNC颗粒。
3. **非破坏性清洁工艺**：使用无尘布和胶带去除THG表面残留的PNC颗粒，仅保留孔内沉积物，确保图案均匀性。
4. **材料表征与性能测试**：采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱（EDS）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和时间分辨光致发光（TRPL）等技术分析结构、形貌和光学性能。
5. **全彩micro-LED集成**：通过光阻挡层和掩模设计，将红/绿CCLs与蓝光micro-LED阵列对准键合，形成彩色转换显示器件。
**研究结果**
**CAP技术优化**：高速相机和接触角测试表明，PNC胶体在THG微孔中通过毛细作用快速填充（约10秒内完成），并因玻璃表面与PNC配体的界面相互作用实现均匀沉积。沉积后微孔变黑，说明PNC颗粒密实填充，且通过无尘布和胶带清洁可有效去除表面残留，确保图案清晰。对12个像素的PL光谱分析显示，亮度均匀性（U）达93.7%，超过视频电子标准协会（VESA）标准（通常要求最小85%或90%），表明CAP技术制备的CCL具有优异发光均匀性。SEM和EDS分析确认PNC在孔内沉积厚度超过30 μm，且元素组成（Cs、Pb、Br、I）与目标一致，无相变发生。
**CCL性能表征**：XRD结果显示绿色PNC CCL的衍射峰与CsPbBr?标准卡对应，红色CCL接近α-CsPbI?但略有偏移，归因于Br离子引入导致的晶格收缩，表明CAP工艺不引起PNC相变。PL光谱显示绿色和红色CCL相对胶体分别有3 nm和6 nm红移，源于自吸收效应，其半高全宽（fwhm）分别为18.00 nm和35.38 nm，有利于宽色域显示。TRPL测试测得绿色和红色CCL寿命分别为17.67 ns和42.07 ns。长期稳定性测试中，红色CCL在25 °C、95%相对湿度下储存100天后PLQY保持初始值的48.51%（绝对值为25.13%），而胶体保持100%；绿色CCL稳定性稍差，归因于双组分结构（BPNC）赋予红色钙钛矿更高稳定性。连续蓝光照射240分钟后，红色BPNC CCL的PL强度保持60%，而单组分CsPbBr?.?I?.?在40分钟内降至50%以下，且发射峰位置稳定，证明CAP技术结合合理PNC设计可制备稳定CCL。
**彩色转换微LED显示应用**：通过将红/绿CCL与GaN基蓝光micro-LED芯片（0.7英寸、64×64阵列）集成，制备了全彩显示面板。光阻挡层（Cr/Au溅射THG）消除了子像素间光串扰，绿光CCL置于红光上方以减少颜色干扰。在2.6 V工作电压下，面板显示白光。彩色转换效率（CCE）在10 mA时峰值达6.99%，但略低，归因于THG内较厚的PNC层抑制了光提取效率。电致发光（EL）光谱显示，随着驱动电流增加，红、绿、蓝通道强度同步增强且相对比例几乎不变，表明器件色稳定性良好。显微图像显示红、绿、蓝子像素交替排列且无显著串扰，RGB直方图显示蓝、绿光各占38.12%，红光占23.76%。基于EL和PL光谱，全彩显示器的色域达到NTSC标准的137.35%和BT.2020标准的102.56%，展示了广泛色域。
**总结与结论**
本研究提出了一种名为CAP的PNC图案化技术，通过毛细管填充、溶剂蒸发和表面清洁等步骤，实现了快速、大面积、低损伤的PNC阵列沉积。该技术制备的CCL在光学性能和稳定性方面表现优异，且成功集成到全彩micro-LED显示面板中，实现了均匀发光和宽色域。研究结论表明，CAP技术结合双组分PNC设计，为高分辨率、高色纯度的彩色转换micro-LED显示提供了一种成本效益高、可扩展的制造方案，有望推动该领域的产业化进展。尽管CCE相对较低，但通过优化PNC层厚度或引入散射粒子（如纳米ZnO）可能进一步提升性能，未来工作可聚焦于增强CCL的长期稳定性。
