J. Am. Chem. Soc.: 簡易可控液體轉移法制備超光滑量子點微圖案——低成本制備高性能QLED

【前言】

量子點發光二極管(QLED)顯示器作為最有前途的下一代LED顯示器，由于其穩定的光學性能、窄的光譜發射帶寬和高的屏幕分辨率而受到人們的廣泛關注。量子點薄膜作為發光層，對QLED器件的性能起著重要的決定作用。通常，QD膜的性能取決于QD本身的物理化學性質和組裝膜的質量，特別是均勻性和厚度。合適的量子點薄膜層的厚度有利于器件中電荷的有效轉移。特別是QD薄膜的表面粗糙度不僅影響其電荷傳輸行為，而且影響其與多層器件中相鄰層的電荷平衡，從而影響量子效率。同時，考慮到QD的高成本，需要在功能區將QD膜圖案化。因此，從實際應用的角度來看，制備高質量的微圖案化QD薄膜是非常重要的。迄今為止，研究人員已經開發了各種溶液法制備QD膜，包括旋涂、轉印、噴墨打印和霧化沉積。然而，這些技術存在成本高、步驟復雜、模板要求高、薄膜均勻性不足等局限性。例如，旋涂和霧化沉積通常需要大量的溶液，但實際轉移的量非常有限，這使得它是一種高成本的工藝。轉印需要模板，使得過程更加復雜。噴墨打印過程容易發生咖啡環現象，且噴嘴易堵塞。因此，開發一種簡單且低成本的溶液處理方法，能夠直接制造具有各種微圖案的均勻QD膜，對于高性能QLEDs是重要的，仍然是一個挑戰。

【成果簡介】

近日，來自北京航空航天大學的劉歡研究員團隊在J. Am. Chem. Soc.上發表文章，題為：Ultrasmooth Quantum Dot Micropatterns by a Facile Controllable Liquid-Transfer Approach: Low-Cost Fabrication of High-Performance QLED。該團隊提出，中國毛筆能夠將QD溶液可控地直接轉移到基底上形成均勻和超光滑的微圖案。作者提出在非對稱溶劑蒸發引起的Marangoni流和Laplace壓力差的共同作用下，QDs在整個溶液轉移過程中實現了動態平衡。通過這種方法，QD納米粒子被均勻地轉移到襯底上的目標區域上。所制備的QLED器件表現出相當高的性能，綠色、紅色和藍色QLED器件的電流效率分別為72.38、26.03和4.26 cd/A，外部量子效率EQE分別為17.40、18.96和6.20 %。作者設想，這一結果提供了一種低成本、簡單、實用的溶液處理方法，即使在空氣中也能用于制備高性能的QLED器件。

【圖文導讀】

圖1. 毛筆直接制備QD薄膜

(a)具有典型多層結構的QLED器件;

(b) 毛筆涂刷工藝示意圖，以及QD納米粒子典型的CdZnSeS@ZnS核/殼結構。插圖:正辛烷和水滴散布在TFB層上;

(c) 通過毛筆涂刷在QLED器件指定的功能區域制備的綠色QD薄膜;

(d–f) 印刷的綠色、紅色和藍色QD膜的熒光顯微鏡圖像;

(g–i) 綠色、紅色和藍色QLED器件的電致發光圖像；

圖2. 制備的量子點薄膜的熒光和原子力顯微鏡表征

通過毛筆刷涂（a、b、c）和旋涂(d)制備的綠色、紅色和藍色QD膜的熒光顯微鏡圖像;

(e，f)代表性的AFM高度圖像和三維圖像顯示刷涂QD膜的粗糙度值為1.10 nm，旋涂QD膜的粗糙度值為2.84 nm;

圖3. 綠色、紅色和藍色QLED器件的性能

(a1、b1和c1) 綠色、紅色和藍色QLED器件隨驅動電壓增加的EL光譜演變;

(a2、b2和c2)綠色、紅色和藍色QLED器件具有最佳效率的驅動電壓的電流密度和亮度特性;

(a3、b3和c3) 綠色、紅色和藍色QLED器件的電流效率和EQE特性;

圖4. 中國毛筆引導下QDs在整個溶液轉移過程中的動態平衡示意圖

(a) 涂刷過程的側視圖卡通圖，其中在錐形纖維的作用下調控QD溶液的轉移。在區域1中，QD溶液由于F_L、F_a和G的協同作用而穩定地維持在毛筆的纖維內;

(b)在區域2中，非對稱溶劑揮發引起的Marangoni流和Laplace力的協同作用下，平衡溶液中的粒子分布。σ是表面張力;

(c)由錐形纖維引起的TCLs的俯視卡通畫，顯示兩個相鄰纖維內形成的多個彎月形TCLs，這有助于沿著纖維產生方向應力;

( d ) 涂刷過程的光學圖像，其中QD溶液均勻地轉移到基底上;

圖5.各種QD微圖案直接通過無任何模板的刷涂制備

通過調整刷涂條件，獲得均勻性好的微圖案化QD膜。制備了條紋寬度從(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的各種綠色QD微線陣列。

(g–j) 制備得到的其它QD微圖案，如(g)三角形、(h)正方形、(I)半圓形和(j)波浪;

【總結】

在這篇文章中，作者提出了一種簡單而有效的中國毛筆涂刷制備高質量量子點薄膜的方法，制備過程不需要模板，使用少量QD溶液可直接在基底上制備超光滑的QD微圖案。由于非對稱溶劑的揮發產生的Marangoni流動和纖維錐形結構引起的Laplace力的協同作用下，溶液中的量子點以相當小的粗糙度均勻可控地沉積到指定的功能區域上。基于此，制備了高性能的綠色、紅色和藍色的QLED器件，峰值電流效率分別為72.38、26.03和4.26 cd/A，峰值EQE分別為17.40、18.96和6.20 %。與其他溶液處理方法不同，毛筆涂刷能夠在沒有任何模板的情況下制備具有微米尺度的超光滑QD薄膜。這將為制造高性能QLED器件提供一種新的無模板、低成本和簡便的解決方案處理方法。

文獻鏈接：Ultrasmooth Quantum Dot Micropatterns by a Facile Controllable Liquid-Transfer Approach: Low-Cost Fabrication of High-Performance QLED, (J. Am. Chem. Soc.,2018, DOI: 10.1021/jacs.8b02948)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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