北京航空航天大学JACS：纤维可控液体直接制备超光滑量子点微图案，低成本制备高性能QLED

量子点发光二极管（QLED）显示器作为最有前途的下一代LED显示器，由于其稳定的光学性能、窄的光谱发射带宽和高的屏幕分辨率而受到人们的广泛关注。量子点（QD）薄膜作为发光层，对QLED器件的性能起着重要的决定作用。通常，QD膜的性能取决于QD本身的物理化学性质和组装膜的质量，特别是均匀性和厚度。合适的量子点薄膜层的厚度有利于器件中电荷的有效转移。特别是QD薄膜的表面粗糙度不仅影响其电荷传输行为，而且影响其与多层器件中相邻层的电荷平衡，从而影响量子效率。同时，考虑到QD的高成本，需要在功能区将QD膜图案化。因此，从实际应用的角度来看，制备高质量的微图案化QD薄膜是非常重要的。迄今为止，研究人员已经开发了各种溶液法制备QD膜，包括旋涂、转印、喷墨打印和雾化沉积。然而，这些技术存在成本高、步骤复杂、模板要求高、薄膜均匀性不足等局限性。例如，旋涂和雾化沉积通常需要大量的溶液，但实际转移的量非常有限，这使得它是一种高成本的工艺。转印需要模板，使得过程更加复杂。喷墨打印过程容易发生咖啡环现象，且喷嘴易堵塞。因此，开发一种简单且低成本的溶液处理方法，能够直接制造具有各种微图案的均匀QD膜，对于高性能QLEDs是重要的，仍然是一个挑战。

近日，来自北京航空航天大学的刘欢研究员（点击查看介绍）（通讯作者）团队在J. Am. Chem. Soc. 上发表文章，他们受中国毛笔可以可控均匀连续的输运液体的启发，提出利用中国毛笔等非对称纤维阵列诱导QD溶液的可控输运，实现直接转移到基底上形成均匀和超光滑的微图案薄膜。作者提出在非对称结构的纤维阵列的诱导下的Laplace压力差和溶剂蒸发引起的Marangoni流的协同作用下，QDs在整个溶液转移过程中实现了动态平衡。通过这种方法，QD纳米粒子可以被均匀的转移到衬底上的目标区域，形成超平滑的QDs图案化薄膜。基于此所制备的QLED器件表现出相当高的性能：其中绿色、红色和蓝色QLED器件的电流效率分别为72.38、26.03和4.26 cd/A，外部量子效率EQE分别为17.40、18.96和6.20 %。

图1. 非对称纤维阵列可控输运QD溶液制备超平滑的QDs图案化薄膜。（a）具有典型多层结构的QLED器件；（b）纤维阵列涂刷工艺示意图，以及QD纳米粒子典型的CdZnSeS@ZnS核/壳结构。插图：分别以正辛烷和水为溶剂的QD溶液在TFB层上的铺展行为；（c）在QLED器件指定的功能区域直接制备绿色QD薄膜；（d–f）制备的绿色、红色和蓝色QD膜的荧光显微镜图像；（g–i）绿色、红色和蓝色QLED器件的电致发光图像。

图2. 制备的量子点薄膜的荧光和原子力显微镜表征。通过纤维阵列刷涂（a、b、c）和旋涂（d）制备的绿色、红色和蓝色QD膜的荧光显微镜图像；（e，f）代表性的AFM高度图像和三维图像显示刷涂QD膜的粗糙度值为1.10 nm，旋涂QD膜的粗糙度值为2.84 nm。

图3. 绿色、红色和蓝色QLED器件的性能。（a1、b1和c1）绿色、红色和蓝色QLED器件随驱动电压增加的EL光谱演变；（a2、b2和c2）绿色、红色和蓝色QLED器件具有最佳效率的驱动电压的电流密度和亮度特性；（a3、b3和c3）绿色、红色和蓝色QLED器件的电流效率和EQE特性。

图4. 非对称纤维引导下QDs在整个溶液转移过程中的动态平衡示意图。（a）涂刷过程的侧视图卡通图，其中在锥形纤维的作用下调控QD溶液的转移。在区域1中，QD溶液由于FL、Fa和G的协同作用而稳定地维持在毛笔的纤维内；（b）在区域2中，非对称溶剂挥发引起的Marangoni流和Laplace力的协同作用下，平衡溶液中的粒子分布。σ是表面张力；（c）由锥形纤维引起的TCLs的俯视卡通画，显示两个相邻纤维内形成的多个弯月形TCLs，这有助于沿着纤维产生方向应力；（ d ）涂刷过程的光学图像，其中QD溶液均匀地转移到基底上。

图5. 纤维阵列可控输运液体直接制备各种均匀的QD微图案。条纹宽度从（a–c）40 μm和80 μm增加到180 μm以及（d–f）60 μm和100 μm增加到190 μm的各种绿色QD微线阵列；（g–j）制备得到的其它QD微图案，如（g）三角形、（h）正方形、（I）半圆形和（j）波浪。

这一结果提供了一种低成本、简单、实用的溶液转移为均匀图案化薄膜的方法，即使在空气中也能用于制备高性能的QLED器件。

该论文作者为：Min Zhang, Binbin Hu, Lili Meng, Ruixin Bian, Siyuan Wang, Yunjun Wang, Huan Liu*, Lei Jiang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ultrasmooth Quantum Dot Micropatterns by a Facile Controllable Liquid-Transfer Approach: Low-Cost Fabrication of High-Performance QLED

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 8690–8695, DOI: 10.1021/jacs.8b02948

导师介绍

刘欢

http://www.x-mol.com/university/faculty/19066