北理工在鈣鈦礦量子點(diǎn)顯示技術(shù)研究方面取得重要進(jìn)展

發(fā)布日期：2021-01-25 供稿：材料學(xué)院劉小麗

編輯：牟雪嬌審核：金海波閱讀次數(shù)：

量子點(diǎn)是一類重要的半導(dǎo)體納米光電材料，具有發(fā)光效率高、光譜可調(diào)、可溶液法制備等突出特點(diǎn)，在照明顯示、探測(cè)成像、生物標(biāo)記等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在顯示領(lǐng)域，量子點(diǎn)可與LCD、OLED、Micro-LED等新型顯示技術(shù)結(jié)合，顯著提高色彩品質(zhì)，簡(jiǎn)化制造工藝，成為顯示領(lǐng)域重要的前沿技術(shù)之一。目前，搭載量子點(diǎn)背光的液晶顯示電視已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，2020年市場(chǎng)滲透率達(dá)到5%，并在逐年增加。像素化的量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換技術(shù)被認(rèn)為是降低OLED顯示成本和解決Micro-LED技術(shù)巨量轉(zhuǎn)移難題的首選技術(shù)路線，而量子點(diǎn)電致發(fā)光顯示技術(shù)是印刷顯示的主要路線之一。因此，量子點(diǎn)顯示技術(shù)成為顯示企業(yè)爭(zhēng)相布局的重點(diǎn)領(lǐng)域。

盡管量子點(diǎn)顯示技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，然而傳統(tǒng)的量子點(diǎn)材料（CdSe、InP）一般采用高溫?zé)嶙⑷敕ㄖ苽洌a(chǎn)業(yè)化仍面臨工藝復(fù)雜、成本高、國外專利壁壘等挑戰(zhàn)。因此，尋求低成本的新型量子點(diǎn)材料體系是解決上述挑戰(zhàn)、擴(kuò)展量子點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的重要思路之一。

鈣鈦礦量子點(diǎn)制備簡(jiǎn)單，具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，是近年來光學(xué)與光電子材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。北京理工大學(xué)材料學(xué)院鐘海政團(tuán)隊(duì)一直從事量子點(diǎn)材料開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)研究，是國際上最早開展鈣鈦礦量子點(diǎn)研究的實(shí)驗(yàn)室之一（ ACS Nano 2015, 9, 4533，Google引用>1300次）。近年來，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)圍繞鈣鈦礦量子點(diǎn)顯示技術(shù)開展研究，取得系列重要進(jìn)展：所發(fā)明的鈣鈦礦量子點(diǎn)原位制備技術(shù)授權(quán)中國、美國、日本、韓國專利，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用推廣階段。最近，他們?cè)诩t光鈣鈦礦量子點(diǎn)光學(xué)膜和藍(lán)光量子點(diǎn)電致發(fā)光器件方面取得突破進(jìn)展。

1）面向液晶顯示背光應(yīng)用的鈣鈦礦量子點(diǎn)原位制備技術(shù)

2016年團(tuán)隊(duì)提出了普適性的鈣鈦礦量子點(diǎn)原位制備思路，實(shí)現(xiàn)了聚合物基質(zhì)中MAPbX₃、FAPbX₃、CsPbX₃、MA₃Bi₂X₉、Cs₂Sn₂X₆等鈣鈦礦量子點(diǎn)的原位制備( Advanced Materials 2016, 28, 9163； Nanoscale 2019, 11, 4942; Light: Science & Applications 2020, 9, 73)；其中基于綠色MAPbBr₃鈣鈦礦量子點(diǎn)的光學(xué)膜的亮度、色域、信賴性與傳統(tǒng)CdSe、InP量子點(diǎn)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)，在液晶顯示背光應(yīng)用中具有巨大潛力。致晶科技公司(校學(xué)科性公司)經(jīng)過進(jìn)一步開發(fā)，2020年與TCL成功合作實(shí)現(xiàn)了首批量75英寸鈣鈦礦量子點(diǎn)電視的量產(chǎn)，成為全球首家推出鈣鈦礦量子點(diǎn)光學(xué)膜商業(yè)產(chǎn)品的公司(https://www.perovskite-info.com/tcl-and-zhijing-nanotech-collaborate-pqd-solutions-lcd-tvs)。

最近，團(tuán)隊(duì)的博士后李飛博士突破了困擾鈣鈦礦量子點(diǎn)背光顯示應(yīng)用的紅光缺失難題，發(fā)展了聚合物基質(zhì)中的紅色全無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)的原位制備技術(shù)，發(fā)光效率和穩(wěn)定性都十分優(yōu)異( Advanced Functional Materials 2021, 2008211)。通過致晶科技公司的進(jìn)一步開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦量子點(diǎn)Micro-LED背光模組，獲得2020年中國國際顯示技術(shù)(ICDT)會(huì)議新產(chǎn)品銀獎(jiǎng)。

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圖1 紅色、綠色鈣鈦礦量子點(diǎn)光學(xué)膜和背光顯示模組

2）面向電致發(fā)光的鈣鈦礦量子點(diǎn)片上再沉淀原位制備技術(shù)

面向印刷顯示電致發(fā)光應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)通過控制鈣鈦礦原位成膜過程中的結(jié)晶過程，發(fā)明了鈣鈦礦量子點(diǎn)片上再沉淀制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效率的綠色和紅色電致發(fā)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(tuán)隊(duì)的博士生王辰暉、韓登寶、常帥老師等人與中科院大連化學(xué)物理研究所、上海光源合作，開發(fā)了雙配體調(diào)控鈣鈦礦量子阱結(jié)構(gòu)分布的原位制備策略，實(shí)現(xiàn)了最高外量子效率8.8%的藍(lán)色電致發(fā)光器件( Nature Communications 2020, 11, 6428)，為目前顯示藍(lán)光(455-475 nm)最高效率，團(tuán)隊(duì)與京東方合作，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了國際專利布局。最近，王辰暉同學(xué)在香港科技大學(xué)和香港城市大學(xué)聯(lián)合舉辦的國際顯示材料研討會(huì)上(International Workshop of Advanced Display Materials, http://adw.ust.hk/program.html)獲得最佳海報(bào)獎(jiǎng)。

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圖2 顯示波段高效率藍(lán)色鈣鈦礦電致發(fā)光器件

更多進(jìn)展請(qǐng)關(guān)注團(tuán)隊(duì)網(wǎng)站https://nanophotonics.bit.edu.cn/index.htm

上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、重點(diǎn)基金，以及科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)的支持，學(xué)校先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)中心提供了材料制備與表征支撐，校微納量子光子實(shí)驗(yàn)室提供了器件制備平臺(tái)。

北理工在鈣鈦礦量子點(diǎn)顯示技術(shù)研究方面取得重要進(jìn)展

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