CsPbBr3陶瓷量子點(diǎn)走向Micro-LED

01 全文速覽

微型發(fā)光二極管（Micro-LED）與色轉(zhuǎn)換陣列耦合是最有前途的顯示技術(shù)之一。然而，目前的色轉(zhuǎn)換材料，或因顆粒尺寸過大，阻礙了微米級(jí)的可加工性，或因低穩(wěn)定性，阻礙了器件的壽命。本文報(bào)道了一種基于K2CO3的選擇性燒結(jié)策略，在介孔二氧化硅納米球（MSNs）孔道內(nèi)原位生長CsPbBr3量子點(diǎn)的同時(shí)，完全坍塌MSNs內(nèi)部孔道，而不引起納米球顆粒間交聯(lián)和聚集。本研究利用上述策略，合成了尺寸均勻、可溶液加工、超穩(wěn)定、高效的CsPbBr3-SiO2納米球，并使用這一新的熒光發(fā)射材料配制了一種基于CsPbBr3量子點(diǎn)的光刻墨水，用于制作像素小于20 μm的Micro-LED色轉(zhuǎn)換陣列。

02 背景介紹

微型發(fā)光二極管（Micro-LED）被認(rèn)為是未來先進(jìn)顯示技術(shù)的基石，特別是用于個(gè)性化或可穿戴設(shè)備，如智能手表和虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及超高清電視。采用藍(lán)光Micro-LED與量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換陣列結(jié)合是可行的全彩化方案。目前所有可用的色轉(zhuǎn)換材料，包括傳統(tǒng)陶瓷熒光粉（尺寸太大）、傳統(tǒng)或鈣鈦礦納米晶（不穩(wěn)定）、鈣鈦礦復(fù)合材料和鈣鈦礦玻璃（尺寸太大），都不能同時(shí)滿足成功應(yīng)用于Micro-LED的光學(xué)、穩(wěn)定性和顆粒尺寸要求。因此，Micro-LED行業(yè)亟需一種如量子點(diǎn)般可溶液加工（小尺寸）和發(fā)光性能（窄峰、高效等）優(yōu)異，又如陶瓷熒光粉一樣超穩(wěn)定和低成本的熒光材料。如何將量子點(diǎn)的穩(wěn)定性提升至陶瓷級(jí)別并保持其溶液加工性，從材料加工的角度來看，存在著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

03 本文亮點(diǎn)

1. K2CO3作為選擇性封孔劑，既完全坍塌MSNs的內(nèi)部孔道，而不引起納米球顆粒間交聯(lián)或聚集，又鈍化CsPbBr3量子點(diǎn)內(nèi)部的表面缺陷，使其量子效率提高到87%以上。

2. 內(nèi)部孔道完全坍塌使CsPbBr3鈣鈦礦量子點(diǎn)被原位致密封裝，與外部環(huán)境完美隔離，化學(xué)和光穩(wěn)定性媲美商用陶瓷Sr2SiO4:Eu2+綠色熒光粉。

3. 合成的CsPbBr3-SiO2納米球尺寸均勻、溶液分散性好，配置的墨水可光刻出均勻的、像素尺寸小于20 μm的Micro-LED色轉(zhuǎn)換陣列，為新一代的Micro-LED顯示技術(shù)提供可行的色轉(zhuǎn)換材料，推動(dòng)了鈣鈦礦量子點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。

04 圖文解析

▲圖1. CsPbBr3-SiO2 納米球在不同煅燒溫度下的形貌與性能

圖1是CsPbBr3-SiO2 納米球在不同煅燒溫度下的形貌與性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較低燒結(jié)溫度下（400、500°C）納米晶形成較差，SiO2納米球保持單顆粒，且內(nèi)部孔道開放，不耐水洗。在較高燒結(jié)溫度下（700、800°C）納米晶長大導(dǎo)致PLQY小于20%，且高溫導(dǎo)致SiO2納米球鍵聯(lián)團(tuán)聚，無法在水中良好分散。在600°C下燒結(jié)得到的CsPbBr3-SiO2 納米球PLQY最高（37%），且保持了單顆粒形貌，能在水中良好分散。但在該條件下燒結(jié)得到的納米球其內(nèi)部孔道不完全坍塌，水洗后PL降低了20%。因此，非常有必要開發(fā)一種巧妙的孔道坍塌策略，能避免高溫退火帶來的顆粒團(tuán)聚及低溫?zé)Y(jié)導(dǎo)致的孔道不完全坍塌，從而實(shí)現(xiàn)高溶液分散性、高穩(wěn)定性、高PLQY。

▲圖2. K2CO3內(nèi)部燒結(jié)制備的CsPbBr3-SiO2納米球的結(jié)構(gòu)與形貌特征

低熔點(diǎn)鹽作為助熔劑，可在固體-液體界面引發(fā)表面熔化或鍵合。受此啟發(fā)，本研究在干燥前將K2CO3溶液添加到前驅(qū)體和MSNs的混合液中，這選擇性地促進(jìn)了內(nèi)部孔道的完全坍塌（內(nèi)部K2CO3燒結(jié)，如圖2所示），并防止了顆粒外部的團(tuán)聚（在600°C燒結(jié)溫度下）。

▲圖3. K2CO3的作用機(jī)制與CsPbBr3-SiO2納米球的光學(xué)性能

為了驗(yàn)證K2CO3的助熔作用，本研究進(jìn)行了對照實(shí)驗(yàn)，通過物理研磨法將K2CO3固體引入干燥的前驅(qū)體和MSNs混合物中（外部K2CO3燒結(jié)）。在這種情況下，固體K2CO3晶體或微粉無法進(jìn)入納米孔，導(dǎo)致K2CO3只存在于MSNs顆粒的外表面。這種外部燒結(jié)納米球在600℃煅燒后發(fā)生團(tuán)聚（圖3a），但內(nèi)部孔道仍未完全坍塌，不能阻止水對CsPbBr3 納米晶的破壞（在水中超聲20小時(shí)）。而內(nèi)部K2CO3燒結(jié)納米球的耐水實(shí)驗(yàn)顯示，PL強(qiáng)度基本沒有下降，從而證實(shí)了完全坍塌的孔道對內(nèi)部CsPbBr3納米晶具有突出的保護(hù)作用（圖3c，d）。K2CO3內(nèi)部燒結(jié)不僅極大提高了CsPbBr3-SiO2 納米球的耐水性，而且極大提高了其PLQY（如圖3d，從37%至87%）。XRD和紫外可見吸收圖表明，K2CO3的引入誘導(dǎo)形成了Cs4PbBr6相，該相已被證明能與CsPbBr3結(jié)合，形成Type I結(jié)構(gòu)，鈍化表面缺陷，顯著改善PLQY。

▲圖4. 基于K2CO3內(nèi)部燒結(jié)制備的CsPbBr3-SiO2納米球的溶液加工性能及光刻圖案化

面向Micro-LED顯示領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)高效色轉(zhuǎn)換層的制備，本研究評(píng)估了內(nèi)部K2CO3燒結(jié)納米球的溶液加工潛力，發(fā)現(xiàn)通過簡單的超聲處理，它們可以均勻、持久地分散在水或乙醇中。本研究基于CsPbBr3-SiO2納米球成功配置了可光刻的墨水，驗(yàn)證了優(yōu)良的成膜性，并通過光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高分辨率（≤20 μm）的像素點(diǎn)圖案。

▲圖5. 基于K2CO3內(nèi)部燒結(jié)制備的CsPbBr3-SiO2納米球的穩(wěn)定性

在運(yùn)行過程中保持高的發(fā)光性能對于Micro-LED色轉(zhuǎn)換層至關(guān)重要。為此，本文研究了CsPbBr3-SiO2納米球在不同環(huán)境和操作條件下的穩(wěn)定性。CsPbBr3-SiO2納米球粉體和薄膜展現(xiàn)出了優(yōu)異的化學(xué)（200天）和光穩(wěn)定性（1000小時(shí)），媲美商用陶瓷Sr2SiO4:Eu2+綠色熒光粉。

05 總結(jié)與展望

本研究立足未來高清顯示領(lǐng)域，面向適用于Micro-LED全彩顯示熒光材料的需求，破解鈣鈦礦量子點(diǎn)穩(wěn)定性差的瓶頸問題，創(chuàng)造性地使用K2CO3選擇性燒結(jié)策略，合成了高效、穩(wěn)定、單分散的陶瓷包覆量子點(diǎn)復(fù)合材料；憑借陶瓷包覆量子點(diǎn)優(yōu)異的穩(wěn)定性、光學(xué)性能及單顆粒尺寸效應(yīng)（溶液可加工性），實(shí)現(xiàn)了可圖案化的陶瓷包覆量子點(diǎn)熒光材料墨水的制備，為新一代的Micro-LED顯示技術(shù)提供可行的色轉(zhuǎn)換方案，推動(dòng)了鈣鈦礦量子點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。

審核編輯 ：李倩