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北理工在鈣钛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,簡化制造工藝,成爲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爲是降低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,量子點顯示技術成爲顯示企業爭相布局的重點領域。

盡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)一般采用高溫熱注入法制備,産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。

钙钛矿量子点制备简单,具有优异的光学性质,是近年来光学与光电子材料领域的研究热点之一。北京理工大学材料学院钟海政团队一直从事量子点材料开发和应用技术研究,是国际上最早开展钙钛矿量子点研究的实验室之一( ACS  Nano 2015, 9, 4533,Google引用>1300次)。近年来,团队重点围绕钙钛矿量子点显示技术开展研究,取得系列重要进展:所发明的钙钛矿量子点原位制备技术授权中国、美国、日本、韩国专利,进入产业应用推广阶段。最近,他们在红光钙钛矿量子点光学膜和蓝光量子点电致发光器件方面取得突破进展。

1)面向液晶顯示背光應用的鈣钛礦量子點原位制備技術

2016年團隊提出了普適性的鈣钛礦量子點原位制備思路,實現了聚合物基質中MAPbX3、FAPbX3、CsPbX3、MA3Bi2X9、Cs2Sn2X6等钙钛矿量子点的原位制备( Advanced Materials 2016, 28, 9163; Nanoscale 2019, 11, 4942;  Light: Science & Applications 2020, 9, 73);其中基于绿色MAPbBr3鈣钛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英寸鈣钛礦量子點電視的量産,成爲全球首家推出鈣钛礦量子點光學膜商業産品的公司(https://www.perovskite-info.com/tcl-and-zhijing-nanotech-collaborate-pqd-solutions-lcd-tvs)。

最近,团队的博士后李飞博士突破了困扰钙钛矿量子点背光显示应用的红光缺失难题,发展了聚合物基质中的红色全无机钙钛矿量子点的原位制备技术,发光效率和稳定性都十分优异( Advanced  Functional Materials 2021, 2008211)。通过致晶科技公司的进一步开发,实现了钙钛矿量子点Micro-LED背光模组,获得2020年中国国际显示技术(ICDT)会议新产品银奖。

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图1 红色、绿色钙钛矿量子点光学膜和背光显示模组

2)面向電致發光的鈣钛礦量子點片上再沈澱原位制備技術

面向印刷显示电致发光应用,团队通过控制钙钛矿原位成膜过程中的结晶过程,发明了钙钛矿量子点片上再沉淀制备技术,实现了高效率的绿色和红色电致发光器件,绿光器件最高外量子效率为16.3%( ACS   Nano 2018, 12, 8808),红光器件最高外量子效率为15.8%( Ad  vanced O  ptical  Materials 2019, 7, 1900774)。最近,团队的博士生王辰晖、韩登宝、常帅老师等人与中科院大连化学物理研究所、上海光源合作,开发了双配体调控钙钛矿量子阱结构分布的原位制备策略,实现了最高外量子效率8.8%的蓝色电致发光器件( Nature   Communications 2020, 11, 6428),为目前显示蓝光(455-475 nm)最高效率,团队与京东方合作,对该技术进行了国际专利布局。最近,王辰晖同学在香港科技大学和香港城市大学联合举办的国际显示材料研讨会上(International Workshop of Advanced Display Materials, http://adw.ust.hk/program.html)获得最佳海报奖。

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图2 显示波段高效率蓝色钙钛矿电致发光器件

更多進展請關注團隊網站https://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制備與表征支撐,校微納量子光子實驗室提供了器件制備平台。



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