膠體納米量子點(diǎn)(QD)由于其優(yōu)異的光學(xué)、電子和化學(xué)特性，已經(jīng)在催化、傳感器、生物技術(shù)、電子學(xué)、光電探測器和顯示器等廣泛領(lǐng)域中展現(xiàn)了巨大潛力。相比于單一粒子體系，由兩種或多種不同材料組成的多粒子系統(tǒng)，由于其個別組分的優(yōu)異特性或綜合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的新功能，展示了更多樣的性能和功能。然而，將多粒子精確控制組裝成圖案化的固態(tài)設(shè)備仍然是一個挑戰(zhàn)。
電泳沉積(EPD) 技術(shù)利用電場將帶電粒子在基板上沉積成膜，可應(yīng)用于各種材料和任意形狀的基板，設(shè)備簡單、操作靈活、成本低廉且適應(yīng)性強(qiáng)，具有控制多種粒子規(guī)律組裝的內(nèi)在能力。
鑒于此，近日，TCL華星趙金陽博士，陳黎暄博士研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京交通大學(xué)唐愛偉教授提出了一種多粒子協(xié)同電泳沉積策略，實(shí)現(xiàn)了可控組裝，高效率和高分辨率的顯示圖案。相關(guān)成果以“Multiparticle Synergistic Electrophoretic Deposition Strategy for High-Efficiency and High-Resolution Displays”為題，發(fā)表于國際著名期刊《ACS Nano》。
研究人員選用二氧化硅(SiO2)和二氧化鈦(TiO2)納米粒子與量子點(diǎn)(QD)集成，協(xié)同納米粒子的間隔作用和散射效應(yīng)，以解決單一組分QD膜中由于共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)引起的發(fā)光效率下降問題。通過精細(xì)的表面設(shè)計，研究人員利用EPD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了QD、SiO2和TiO2納米粒子的精確共沉積，提高了QD薄膜的發(fā)光效率（圖1）。
圖1. 多粒子協(xié)同電沉積系統(tǒng)的設(shè)計
研究表明，通過調(diào)整帶電粒子的遷移率，可以調(diào)節(jié)粒子的運(yùn)動速度，從而控制多粒子在同一懸浮液中的沉積順序。本文研究了QD和不同配體含量的SiO2粒子的協(xié)同沉積，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SiO2粒子遷移率低于或高于QD時，會形成分層或梯度分布結(jié)構(gòu)的多粒子膜；而二者遷移率相當(dāng)時則形成均勻分布的多粒子膜（圖2）。其中，粒子的梯度分布可以獲得光學(xué)梯度結(jié)構(gòu)，而均勻分布的共沉積膜則可以實(shí)現(xiàn)QD光致發(fā)光性能的顯著增強(qiáng)。
圖2：通過EPD技術(shù)實(shí)現(xiàn)多粒子可控組裝
通過調(diào)節(jié)QD和SiO2的比例，優(yōu)化了共沉積膜中QD的間距，進(jìn)一步引入TiO2粒子并利用其散射效應(yīng)，提高了藍(lán)光吸收和能量轉(zhuǎn)化效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單一量子點(diǎn)相比，多粒子協(xié)同系統(tǒng)顯著提高了光致發(fā)光性能。紅光和綠光共沉積膜的光致發(fā)光量子效率(PLQE)分別提高了2.3倍和3.1倍，達(dá)到了46.0%和43.8%。
研究人員利用該多粒子協(xié)同電泳沉積技術(shù)，在大面積圖案面板上制備了紅綠雙色多粒子共沉積陣列，成功實(shí)現(xiàn)了超過1000 PPI的高分辨的全彩顯示（圖3），展示了在高效高分辨率顯示器中的巨大潛力。
圖3：多粒子協(xié)同電泳沉積用于全彩顯示
這種多粒子共沉積策略具有在加工納米材料過程中控制粒子組裝和調(diào)控粒子分布的獨(dú)特優(yōu)勢，這在實(shí)現(xiàn)高性能光電器件方面具有巨大潛力。并且，這一策略可以擴(kuò)展到開發(fā)具有不同功能的各種材料，包括均勻復(fù)合材料和梯度功能材料（如光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)梯度功能材料等）。因此，通過根據(jù)特定要求定制多粒子系統(tǒng)的組成，研究人員可以在光電子和生物應(yīng)用等領(lǐng)域，開發(fā)出更多高效能的功能器件。
TCL華星李雪飛博士為本論文第一作者，趙金陽博士、陳黎暄博士和北京交通大學(xué)唐愛偉教授為本論文通訊作者。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2022YFB3603600、2022YFB3606501)、廣東省科技計劃項(xiàng)目(2021B1212050009)和北京市自然科學(xué)基金(Z220007)的資助。
文獻(xiàn)鏈接：Xuefei Li, Jinyang Zhao*, Hui Xiao, Hangchuan Zhang, Miao Zhou, Xin Zhang, Xiaolin Yan, Aiwei Tang*, Lixuan Chen*. Multiparticle Synergistic Electrophoretic Deposition Strategy for High-Efficiency and High-Resolution Displays.
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