通过电水动力打印技术制备的高性能量子点像素阵列，该阵列包含用于微发光二极管（Micro-LED）的散射体

《Organic Electronics》：High performance pixelated array of quantum dots with scatterers for Micro-LED by electrohydrodynamic printing

　　

傅超伟|刘家峰|孙云飞|黄晨超|苏文明|崔正

中国苏州科技大学电子与信息工程学院，苏州215009

摘要

含有散射颗粒的量子点（QD）墨水在高性能彩色转换层方面具有巨大潜力，这些转换层具有高色彩纯度和宽色域。电液动力（EHD）打印技术可以实现高分辨率的增材制造，但受到缺乏合适散射墨水的限制。在这里，我们通过混合TiO₂散射颗粒系统地优化了QD墨水系统，以用于彩色转换应用。研究了TiO₂颗粒的分散稳定性和连续喷墨行为，发现低沸点溶剂会导致快速蒸发和喷嘴堵塞。因此，选择了高沸点的异丁基甲基丙烯酸酯（IBOMA）作为溶剂。光学表征显示，含有4 wt% TiO₂的墨水在三天时间内蓝光吸收率达到84.3%，色彩转换效率（CCE）达到11.4%，比纯QD墨水高出约40%，且没有明显的聚集现象。首次成功使用EHD打印技术制备了散射颗粒掺杂的QD彩色转换图案，像素尺寸约为30 μm，证明了散射墨水在高分辨率微LED彩色转换中的可行性。

引言

微LED被认为是下一代显示技术的关键发展方向之一，因为它们具有高亮度、低功耗、快速响应和长寿命等优点[1]，[2]。量子点彩色转换（QDCC）在实现全彩微LED显示方面得到了广泛研究[3]，[4]，[5]，[6]，[7]。这归因于量子点固有的窄发射带宽、高荧光量子产率和可调发射波长特性[8]，[9]，[10]。为了提高转换效率并抑制蓝光泄漏，通常采用增加量子点浓度并结合顶部分布的布拉格反射器（DBR）[11]，[12]的方法。然而，这种方法会引入浓度淬火问题[13]，且DBR沉积过程可能会损坏量子点层。如图1a所示，将散射剂（例如高折射率的TiO₂纳米颗粒）掺入量子点层是一种常见做法，可以延长蓝光路径长度，从而促进吸收并提高光学性能[14]，[15]，[16]。

传统的喷墨打印依靠挤出墨水形成液滴[17]，[18]，[19]，具有材料利用率高和设备成本相对较低等优点[20]，[21]，[22]。然而，其喷嘴的物理尺寸限制了打印分辨率，难以满足需要高像素密度和小像素间距的微LED显示器的要求[23]，[24]，[25]。相比之下，EHD利用电场力生成泰勒锥和超细喷射流，即使使用较大的喷嘴也能实现高分辨率图案化[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。例如，2019年，朱梦华等人通过优化EHD喷墨工艺实现了5微米的高分辨率点阵。2024年，杨晓等人使用EHD成功制备了分辨率超过2540 dpi的钙钛矿纳米晶体彩色转换阵列[31]，[32]。这展示了使用EHD打印高分辨率彩色转换阵列的潜力[33]，[34]，[35]。

然而，关于含有散射颗粒的QD墨水的系统研究仍然很少，因为将纳米颗粒引入喷墨墨水中容易导致聚集、喷嘴堵塞和喷射不稳定。大多数报道的喷墨打印QDCC仍然使用不含散射颗粒的墨水，限制了光学性能的进一步提升[36]，[37]。因此，研究含有散射成分的QD墨水、喷射稳定性和薄膜形成均匀性之间的平衡对于成功实现散射增强型QD墨水的EHD打印及其在微显示器中的应用至关重要。

本研究系统地优化了含有散射颗粒的量子点墨水的配方，发现高沸点溶剂系统可以有效缓解喷嘴堵塞问题，延长稳定打印时间，并有利于形成高分辨率的微尺度像素。基于研究结果，选择了一种高沸点的UV固化量子点墨水，成功掺入了TiO₂纳米级散射颗粒，而没有引起显著的聚集或堵塞。EHD打印的彩色转换层的蓝光吸收率提高到84.3%，CCE相比未掺杂系统提高了约40%，达到11.4%。最后，通过使用EHD打印技术，使用散射颗粒掺杂的墨水实现了像素尺寸约为30 μm的高分辨率量子点彩色转换图案。这些结果不仅展示了散射增强型墨子在微LED彩色转换层中的应用潜力，还强调了EHD打印这种功能性墨水的可行性。

章节片段

材料

CdSe/ZnS量子点购自Funano Technology Co., Ltd.，CdSe/ZnS量子点的表面覆盖了油酸配体，其吸收和PL光谱如图S1所示。IBOMA、1-羟基环己基苯甲酮（HPK）、双酚A环氧二丙烯酸酯（BED）、烷基酚乙氧基化物（APEOs）、乙酸乙酯（EA）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）和碳酸丙烯酯（PC）购自Exploration Platform。银行材料已准备完毕

不同溶剂中的TiO₂纳米颗粒分散体

墨水稳定性是打印过程中的主要考虑因素，它直接决定了量子点和功能纳米颗粒是否能在溶剂中长时间保持均匀分散。这有助于有效防止由于沉淀或聚集导致的颗粒尺寸增大和分布不均等问题，从而确保打印过程中的固液分布均匀性。最初，我们选择了一组代表性的五种经典

结论

本研究通过加入TiO₂纳米颗粒作为散射剂，成功开发了一种高性能的彩色转换QD墨水。为了实现成功的EHD喷墨打印，通过研究溶剂沸点和散射颗粒的掺杂水平来优化QD墨水的配方。实验结果表明，使用高沸点溶剂IBOMA显著提高了打印稳定性。掺杂浓度为4

CRediT作者贡献声明

崔正：撰写 – 审稿与编辑。苏文明：撰写 – 审稿与编辑，监督。黄晨超：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，项目管理。孙云飞：撰写 – 审稿与编辑。刘家峰：可视化，数据管理。傅超伟：初稿撰写，研究，数据分析，概念化

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

支持本研究发现的主要数据可在文章及其补充信息文件中找到。如有需要，可向相应作者索取额外数据。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFB3606500，2022YFE0139100）的支持。特别感谢中国科学院苏州纳米技术与纳米生物技术研究所（SINANO）和苏州Star Scintillation Nanotechnology Co., Ltd.的技术支持。