用于高分辨率量子点发光二极管显示器的裂纹辅助转移印刷技术

《Nature Electronics》：A cracking-assisted transfer printing technology for high-resolution quantum dot light-emitting diode displays

　　

无机胶体量子点发光二极管（QD-LEDs）因其色彩特性和电稳定性，可用于构建下一代电致发光显示器。然而，为了创建高分辨率和大面积显示器，需要一种像素集成方法，该方法能够在有源矩阵背板上沉积量子点阵列，并保持均匀性和精度，避免颜色交叉污染。在此，研究人员报告了一种裂纹辅助转移印刷（CATP）技术，该技术可用于在大面积上图案化高分辨率全彩像素阵列。该技术利用可控裂纹过程断裂量子点之间的颗粒间内聚键，从而促进后续的高精度拾取和转移到薄膜晶体管（TFT）背板。通过该技术，研究人员实现了小至600nm的像素，具有电致发光（EL）发射，并在4英寸面积上实现了均匀像素化。研究人员创建了一个分辨率为341像素/英寸（ppi）的无镉（Cd-free）全彩有源矩阵（AM）显示器，以及一个具有可弯曲形态的蓝色AM显示器。此外，CATP通过精确的纳米界面控制和高量子点（QD）堆积密度，可以提高电致发光性能——具有比其他量子点图案化技术更高的最大亮度和工作寿命。

**研究背景与问题**
量子点发光二极管（QD-LEDs）因其广泛的色彩可控性、色纯度、光学效率和电稳定性，被视为下一代电致发光（EL）显示器的理想候选。然而，要基于QD-LED技术实现大面积、高分辨率全彩显示器，需将数百万个红、绿、蓝（RGB）像素集成到有源矩阵（AM）背板上，关键挑战包括：避免RGB像素间交叉污染、控制多层EL器件结构中的稳定纳米级界面，以及确保在非平面几何形貌的AM背板上形成均匀像素。现有图案化技术如旋涂（SC）易导致颜色交叉污染，喷墨打印存在纳米层架构中的界面不稳定性和液滴尺寸限制，而传统转移印刷（TP）技术虽可避免化学试剂残留，但在大面积和高分辨率兼顾方面存在局限。为此，研究人员开发了一种创新的裂纹辅助转移印刷（CATP）技术，旨在解决这些难题，并推动无镉（Cd-free）QD材料在生态友好型显示器中的应用。该研究发表于《Nature Electronics》。

**关键技术与方法（不超过250字）**
CATP技术利用微凸点聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章，通过三步实现高分辨率QD图案化：首先，控制裂纹步骤，以高速剥离在供体基板上形成条纹图案，断裂横向量子点间范德华内聚力（F_qq）；其次，使用方形微凸点拾取印章，以高速拾取裂纹后的QD像素，集中拉伸应力于像素边缘，实现局部断裂；最后，以低速将QD像素转移到目标薄膜晶体管（TFT）背板。该技术通过微凸点形成空气逸出通道，避免气泡捕获，适用于非平面表面。研究中使用了商用无镉（InP/ZnS核心/壳、ZnTeSe/ZnSe/ZnS核心/壳）和含镉（CdSe/ZnS）量子点材料，但未注明具体样本队列来源。

**研究结果**
**1. CATP用于高分辨率QD图案化**
通过模拟（von Mises应力分布）和实验，研究人员发现CATP通过裂纹步骤消除F_qq，使拾取应力集中于像素边缘，实现局部断裂。与常规TP相比，CATP在接触边缘产生约2倍拉伸应力，从而成功图案化小至600nm×900nm（16,933ppi）的QD像素，并首次展示纳米级EL RGB像素（亮度9,000 cd m^-2、5,330 cd m^-2、2,755 cd m^-2）。

**2. 大面积、高分辨率和非平面表面上的像素化**
CATP使用微凸点PDMS印章，在4英寸基板和非平面AM TFT背板（1.5μm深银行结构）上实现均匀、无气泡的像素化。通过8步缝合工艺扩展至8英寸图案，展示了其大面积可加工性。模拟表明，微凸点印章能有效将应力集中于银行结构内的目标像素区域，整合了RGB像素，无交叉污染，转移产率接近100%。

**3. CATP制备的QD-LEDs的电光特性**
与旋涂（SC）相比，CATP制备的无镉红色、绿色和蓝色EL QD-LEDs在8V时亮度分别达到40,150 cd m^-2、22,210 cd m^-2和15,360 cd m^-2，最大外量子效率（EQE）分别为4.54%、1.63%和3.70%，均高于SC器件。含镉红色QD-LEDs达23.8% EQE，为转移印刷类最高。CATP器件寿命更长，无镉红色QD-LED在100 cd m^-2下T95为254,897小时。改进归因于：CATP导致致密QD堆积（折射率更高）、纳米界面控制（表面粗糙度降低）和光致发光量子产率（PLQY）提升（红色52.7% vs SC 43.5%），同时抑制了局部电流泄漏（通过单载流子器件和EL谱分析验证）。

**4. CATP集成全彩无镉AM EL QD显示系统**
CATP在1.41英寸LTPS TFT背板上成功集成320×RGB×360像素（341ppi）的全彩无镉AM EL QD显示器，色域达sRGB 124%和DCI-P3 92%，优于常规有机发光二极管（OLEDs）（sRGB 112%、DCI-P3 82%）。含镉显示器色域更高（sRGB 164%、DCI-P3 121%）。无镉显示器色彩均匀性略低，源于材料本身光谱宽度（半高宽更大）和氧化敏感性。白色发射分析显示，CATP过程无颜色混合，缺陷源于实验室规模设备而非CATP本身。

**讨论与结论**
研究人员报告了一种裂纹辅助转移印刷（CATP）技术，用于在AM背板上创建无镉QD全彩EL显示器。CATP提供大面积可加工性、超高分辨率以及基板几何形状的通用性，包括柔性、可拉伸和纺织基背板。研究人员展示了在4英寸基板上的均匀像素化，像素尺寸小至600nm。还集成了具有非平面表面拓扑的AM背板上的全彩RGB像素，没有像素间交叉污染。利用CATP，研究人员创建了一个无镉全彩AM EL QD显示器，在1.41英寸LTPS TFT背板上具有320×RGB×360像素（341ppi），色域为sRGB 124%和DCI-P3 92%。还制造了具有可弯曲形态的像素化无镉EL QD显示器。与其他量子点图案化技术相比，CATP表现出改进的电光器件性能和更长的工作寿命，这是由于精确的纳米界面控制，提高了薄膜PLQY并通过高QD堆积密度最小化了局部电流泄漏。CATP应为进一步推进全彩EL QD显示技术提供机会，面向未来高分辨率增强现实/虚拟现实和大面积显示应用。