J. Am. Chem. Soc.: 简易可控液体转移法制备超光滑量子点微图案——低成本制备高性能QLED

【前言】

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。

【成果简介】

近日，来自北京航空航天大学的刘欢研究员团队在J. Am. Chem. Soc.上发表文章，题为：Ultrasmooth Quantum Dot Micropatterns by a Facile Controllable Liquid-Transfer Approach: Low-Cost Fabrication of High-Performance QLED。该团队提出，中国毛笔能够将QD溶液可控地直接转移到基底上形成均匀和超光滑的微图案。作者提出在非对称溶剂蒸发引起的Marangoni流和Laplace压力差的共同作用下，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纳米粒子被均匀地转移到衬底上的目标区域上。所制备的QLED器件表现出相当高的性能，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 %。作者设想，这一结果提供了一种低成本、简单、实用的溶液处理方法，即使在空气中也能用于制备高性能的QLED器件。

【图文导读】

图1. 毛笔直接制备QD薄膜

(a)具有典型多层结构的QLED器件;

(b) 毛笔涂刷工艺示意图，以及QD纳米粒子典型的CdZnSeS@ZnS核/壳结构。插图:正辛烷和水滴散布在TFB层上;

(c) 通过毛笔涂刷在QLED器件指定的功能区域制备的绿色QD薄膜;

(d–f) 印刷的绿色、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

通过毛笔刷涂（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. 中国毛笔引导下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F_L、F_a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.各种QD微图案直接通过无任何模板的刷涂制备

通过调整刷涂条件，获得均匀性好的微图案化QD膜。制备了条纹宽度从(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;

【总结】

在这篇文章中，作者提出了一种简单而有效的中国毛笔涂刷制备高质量量子点薄膜的方法，制备过程不需要模板，使用少量QD溶液可直接在基底上制备超光滑的QD微图案。由于非对称溶剂的挥发产生的Marangoni流动和纤维锥形结构引起的Laplace力的协同作用下，溶液中的量子点以相当小的粗糙度均匀可控地沉积到指定的功能区域上。基于此，制备了高性能的绿色、红色和蓝色的QLED器件，峰值电流效率分别为72.38、26.03和4.26 cd/A，峰值EQE分别为17.40、18.96和6.20 %。与其他溶液处理方法不同，毛笔涂刷能够在没有任何模板的情况下制备具有微米尺度的超光滑QD薄膜。这将为制造高性能QLED器件提供一种新的无模板、低成本和简便的解决方案处理方法。

文献链接：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)

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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