膠體納米量子點(QD)由于其優異的光學、電子和化學特性，已經在催化、傳感器、生物技術、電子學、光電探測器和顯示器等廣泛領域中展現了巨大潛力。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，由于其個別組分的優異特性或綜合結構產生的新功能，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設備仍然是一個挑戰。
電泳沉積(EPD) 技術利用電場將帶電粒子在基板上沉積成膜，可應用于各種材料和任意形狀的基板，設備簡單、操作靈活、成本低廉且適應性強，具有控制多種粒子規律組裝的內在能力。
鑒于此，近日，TCL華星趙金陽博士，陳黎暄博士研究團隊聯合北京交通大學唐愛偉教授提出了一種多粒子協同電泳沉積策略，實現了可控組裝，高效率和高分辨率的顯示圖案。相關成果以“Multiparticle Synergistic Electrophoretic Deposition Strategy for High-Efficiency and High-Resolution Displays”為題，發表于國際著名期刊《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(QD)集成，協同納米粒子的間隔作用和散射效應，以解決單一組分QD膜中由于共振能量轉移(FRET)引起的發光效率下降問題。通過精細的表面設計，研究人員利用EPD技術實現了QD、SiO2和TiO2納米粒子的精確共沉積，提高了QD薄膜的發光效率（圖1）。
圖1. 多粒子協同電沉積系統的設計
研究表明，通過調整帶電粒子的遷移率，可以調節粒子的運動速度，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粒子的協同沉積，發現當SiO2粒子遷移率低于或高于QD時，會形成分層或梯度分布結構的多粒子膜；而二者遷移率相當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梯度結構，而均勻分布的共沉積膜則可以實現QD光致發光性能的顯著增強。
圖2：通過EPD技術實現多粒子可控組裝
通過調節QD和SiO2的比例，優化了共沉積膜中QD的間距，進一步引入TiO2粒子并利用其散射效應，提高了藍光吸收和能量轉化效率。實驗結果表明，與單一量子點相比，多粒子協同系統顯著提高了光致發光性能。紅光和綠光共沉積膜的光致發光量子效率(PLQE)分別提高了2.3倍和3.1倍，達到了46.0%和43.8%。
研究人員利用該多粒子協同電泳沉積技術，在大面積圖案面板上制備了紅綠雙色多粒子共沉積陣列，成功實現了超過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控粒子分布的獨特優勢，這在實現高性能光電器件方面具有巨大潛力。并且，這一策略可以擴展到開發具有不同功能的各種材料，包括均勻復合材料和梯度功能材料（如光學、電學、磁學梯度功能材料等）。因此，通過根據特定要求定制多粒子系統的組成，研究人員可以在光電子和生物應用等領域，開發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唐愛偉教授為本論文通訊作者。研究工作得到了國家重點研發計劃(2022YFB3603600、2022YFB3606501)、廣東省科技計劃項目(2021B1212050009)和北京市自然科學基金(Z220007)的資助。
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