北理工在鈣鈦礦量子點顯示技術研究方面取得重要進展


量子點是一類重要的半導體納米光電材料,具有發光效率高、光譜可調、可溶液法制備等突出特點,在照明顯示、探測成像、生物標記等領域具有廣泛的應用前景。在顯示領域,量子點可與LCD、OLED、Micro-LED等新型顯示技術結合,顯著提高色彩品質,簡化製造工藝,成為顯示領域重要的前沿技術之一。目前,搭載量子點背光的液晶顯示電視已經實現商業化,2020年市場滲透率達到5%,並在逐年增加。像素化的量子點色轉換技術被認為是降低OLED顯示成本和解決Micro-LED技術巨量轉移難題的首選技術路線,而量子點電致發光顯示技術是印刷顯示的主要路線之一。因此,量子點顯示技術成為顯示企業爭相佈局的重點領域。

儘管量子點顯示技術取得了顯著進步,然而傳統的量子點材料(CdSe、InP)一般採用高温熱注入法制備,產業化仍面臨工藝複雜、成本高、國外專利壁壘等挑戰。因此,尋求低成本的新型量子點材料體系是解決上述挑戰、擴展量子點應用領域的重要思路之一。

鈣鈦礦量子點製備簡單,具有優異的光學性質,是近年來光學與光電子材料領域的研究熱點之一。北京理工大學材料學院鍾海政團隊一直從事量子點材料開發和應用技術研究,是國際上最早開展鈣鈦礦量子點研究的實驗室之一( ACS  Nano 2015, 9, 4533,Google引用>1300次)。近年來,團隊重點圍繞鈣鈦礦量子點顯示技術開展研究,取得系列重要進展:所發明的鈣鈦礦量子點原位製備技術授權中國、美國、日本、韓國專利,進入產業應用推廣階段。最近,他們在紅光鈣鈦礦量子點光學膜和藍光量子點電致發光器件方面取得突破進展。

1)面向液晶顯示背光應用的鈣鈦礦量子點原位製備技術

2016年團隊提出了普適性的鈣鈦礦量子點原位製備思路,實現了聚合物基質中MAPbX3、FAPbX3、CsPbX3、MA3Bi2X9、Cs2Sn2X6等鈣鈦礦量子點的原位製備( Advanced Materials 2016, 28, 9163; Nanoscale 2019, 11, 4942;  Light: Science & Applications 2020, 9, 73);其中基於綠色MAPbBr3鈣鈦礦量子點的光學膜的亮度、色域、信賴性與傳統CdSe、InP量子點相比具有顯著優勢,在液晶顯示背光應用中具有巨大潛力。致晶科技公司(校學科性公司)經過進一步開發,2020年與TCL成功合作實現了首批量75英寸鈣鈦礦量子點電視的量產,成為全球首家推出鈣鈦礦量子點光學膜商業產品的公司(//www.perovskite-info.com/tcl-and-zhijing-nanotech-collaborate-pqd-solutions-lcd-tvs)。

最近,團隊的博士後李飛博士突破了困擾鈣鈦礦量子點背光顯示應用的紅光缺失難題,發展了聚合物基質中的紅色全無機鈣鈦礦量子點的原位製備技術,發光效率和穩定性都十分優異( Advanced  Functional Materials 2021, 2008211)。通過致晶科技公司的進一步開發,實現了鈣鈦礦量子點Micro-LED背光模組,獲得2020年中國國際顯示技術(ICDT)會議新產品銀獎。

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圖1 紅色、綠色鈣鈦礦量子點光學膜和背光顯示模組

2)面向電致發光的鈣鈦礦量子點片上再沉澱原位製備技術

面向印刷顯示電致發光應用,團隊通過控制鈣鈦礦原位成膜過程中的結晶過程,發明了鈣鈦礦量子點片上再沉澱製備技術,實現了高效率的綠色和紅色電致發光器件,綠光器件最高外量子效率為16.3%( ACS   Nano 2018, 12, 8808),紅光器件最高外量子效率為15.8%( Ad  vanced O  ptical  Materials 2019, 7, 1900774)。最近,團隊的博士生王辰暉、韓登寶、常帥老師等人與中科院大連化學物理研究所、上海光源合作,開發了雙配體調控鈣鈦礦量子阱結構分佈的原位製備策略,實現了最高外量子效率8.8%的藍色電致發光器件( Nature   Communications 2020, 11, 6428),為目前顯示藍光(455-475 nm)最高效率,團隊與京東方合作,對該技術進行了國際專利佈局。最近,王辰暉同學在香港科技大學和香港城市大學聯合舉辦的國際顯示材料研討會上(International Workshop of Advanced Display Materials, //adw.ust.hk/program.html)獲得最佳海報獎。

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圖2 顯示波段高效率藍色鈣鈦礦電致發光器件

更多進展請關注團隊網站//nanophotonics.bit.edu.cn/index.htm

上述研究工作得到了國家自然科學基金優秀青年基金、重點基金,以及科技部重點研發專項的支持,學校先進材料實驗中心提供了材料製備與表徵支撐,校微納量子光子實驗室提供了器件製備平台。



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