导读

近日，北京交通大学发光与光信息技术教育部重点实验室滕枫/唐爱伟教授团队创新性地设计了一种基于刚性桥联结构的光交联剂CPTA，成功实现了量子点材料在光刻工艺中的无损图案化。采用该技术制备的红光图案化QLED器件的峰值外量子效率（EQE）为21%，与未经图案化的原始器件基本相当。红绿蓝三基色量子点图案的分辨率为6,350 PPI，最小线宽尺寸仅为1微米。这项技术突破了传统光刻技术对量子点材料性能损害的瓶颈，为下一代高分辨率QLED显示技术的发展提供了关键技术支撑。

相关研究成果以“Rigid Crosslinker-Assisted Nondestructive Direct Photolithograph for Patterned QLED Displays”为题发表于Light: Science & Applications。北京交通大学物理科学与工程学院硕士研究生陈仲为文章第一作者，唐爱伟教授和满忠伟博士为文章通讯作者。

胶体半导体量子点（Quantum Dots, QDs）由于其高发光效率、高色纯度、广色域和可溶液加工等优点，已经成为产业界广泛关注的显示材料之一。胶体量子点技术于2023年获得了诺贝尔奖，为这项技术的进一步发展增添了动能。目前，红绿蓝三基色电致发光器件的EQE均达到或接近理论极限，正在走向产业化应用。然而，随着虚拟现实、三维显示和近眼显示等下一代新型显示技术的发展，迫切希望获得高分辨率的量子点阵列器件。量子点薄膜图案化技术是实现高分辨率量子点阵列器件的关键。为了实现这一目标，以喷墨打印、转移印刷和传统光刻为代表的图案化技术已经得到验证和开发。但是，这些技术的挑战在于难以在图形产量、分辨率、与量子点化学相容性以及器件依赖性之间取得平衡。在典型的传统光刻技术中，量子点材料的结构经常因光反应过程中的能量损失和化学环境效应而受损，从而导致图案精度降低和光学性能受损。因此，开发无损直接光刻技术实现高分辨率且量子点光学和电学特性稳定性，已成为量子点显示技术发展的主要发展方向之一。

目前报道的交联剂通常采用柔性桥接基团，其存在量子点间距不均、溶解度降低有限，量子点发光稳定性下降等问题，为了解决上述问题，研究团队创新性提出使用环戊烷（CPT）作为刚性桥接基团（如图1），其刚性特性使交联后的量子点间距固定为2纳米，同时显著降低溶解度，从而减少紫外线照射需求。

图1：CPTA刚性交联剂的设计与合成。(a)柔性和刚性交联剂的比较及叠氮基交联剂在量子点交联中的作用机理; (b) CPTA的合成路线和分子结构; (c) CPTA的1H NMR和 (d) 19F NMR谱

基于这一设计，研究团队选择CPT作为桥接基团，传统叠氮化物作为光活性位点制备了新型交联剂CPTA。使用刚性交联剂CPTA成功制备出红绿蓝三基色的图案（如图2所示），2 μm间距的像素阵列分辨率达6,350 PPI。更为重要的是实现1 μm极限线宽仅需文献报道曝光剂量的一半。柔性PET基板上也可实现高保真图案，为可穿戴设备奠定基础。

图2：图案化量子点的光学和显微图像。(a) 图案化步骤的示意图; (b)红、绿、蓝“BJTU”图案的荧光显微图像; (c) 1 μm线阵列; (d) 2μm点阵列和 (e) 线图案 (宽度，1-3 μm) ; (f) 原子力显微镜图像和宽度为10 μm的QD线图案的高度分布; (g) 北京交通大学标志图案量子点; (h)柔性PET衬底下的荧光显微图像。比例尺：(b) 2mm, (c) 5 μm, (d) 10 μm,(e) 20 μm, (g) 500 μm,(h) 2mm

该交联剂CPTA能够促使有效能量屏障的形成，从而阻止载流子非辐射复合，实现了量子点光电性能的显著提升。更为重要的是加入CPTA后量子点薄膜的PLQY保留95%以上，即使在150 mJ cm?²高剂量紫外照射下仍能保持85%以上PLQY，展现出优异的抗紫外损伤能力（如图3所示）。

图3：图案化量子点的PL特性。(a) 红色量子点和交联剂CPTA的能级示意图; (b) QD薄膜在不同图案化阶段的相对PLQY: 原始,混合(QDs + 10 wt%的CPTA), 紫外曝光(20 mJ cm^-2)和图案化; (c) 原始和图案QD薄膜的荧光寿命; (d) 不同UV剂量CPTA对QD膜的相对PLQY和寿命的影响

基于CPTA交联剂的无损光刻工艺成功实现了高性能图案化QLED器件的制备（如图4所示）。红色图案化QLED器件的最大亮度由240,000 cd m^-2降至180,000 cd m^-2，但仍保持优异性能；EQE超过21%，保留原始器件96%的EQE，EL光谱峰位和半高全宽维持不变（图4f）。

图4：原始和图案QLED的器件性能。(a) QLED器件结构及 (b) 对应的能级图; (c)图案化红色QLED器件的PL(左)和EL(右)图像, 比例尺3 mm; (d) J-V-L和 (e) EQE-CE-L的原始和图案红色器件的性能; (f) RGB器件的EL（实线）和PL（虚线）光谱

总结与展望

本研究成功开发了一种基于刚性环戊烷桥接结构的交联剂CPTA，通过其独特的分子设计实现了环境友好型无损伤光刻技术，为高分辨率量子点显示器的制造提供了创新解决方案。该交联剂的刚性骨架不仅有效提升了LUMO能级，显著抑制了光刻过程中的载流子与激子捕获现象，更使得制备的QLED器件在光刻前后保持了光电性能一致性。采用该技术可实现线宽低至1微米的高精度图案化，分辨率达到6,350 PPI的行业领先水平，同时兼容柔性PET基板，展现了出色的工艺适应性。这项技术通过分子工程策略克服传统光刻技术局限性的可行性，更为发展下一代超高清柔性显示技术开辟了新路径。该技术有望通过进一步优化交联剂分子结构与工艺参数，向更小特征尺寸（如亚微米级）和更复杂器件结构（如全彩微显示阵列）拓展。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01918-7