激光直写“刻画”钙钛矿量子点微图案

    撰稿 | 詹雯杰（北京理工大学）

    本文内容由课题组提供

    量子点作为一种新型半导体纳米材料，具有发光效率高、窄半峰宽、波长可调等特点，在照明显示、探测成像、生物标记、激光等领域具有应用前景。量子点可与LCD、OLED、Micro-LED等显示技术结合，显著提高显示器件的色彩品质，简化产品的制造工艺，成为显示领域重要的前沿技术之一（Light Sci Appl 2020，9, 105）。

    钙钛矿量子点是近年来发展起来的新型量子点材料，具有容易制备、光学特性优异等特点，在显示领域具有应用潜力。北京理工大学钟海政课题组是国际上最早开展钙钛矿量子点的实验室之一，2015年首次报道了钙钛矿量子点的室温再沉淀制备技术及其液晶显示背光LED应用(ACS Nano 2015, 9, 4533)，所发明的钙钛矿量子点原位制备技术进入了产品推广阶段。

    图案化是推动钙钛矿量子点在OLED和Micro-LED等显示技术应用的核心工艺（Small Methods 2018, 2, 1800110 ）。激光直写技术是一种通过激光实现物质改性的图案化技术，具有高精度，高灵活性，热效应小等优势，甚至可以制备特殊的三维结构，目前已被广泛应用在材料图案化、集成化、功能化当中。如何利用激光直写技术制备钙钛矿量子点图案化一直是领域追求的重点研究方向，吸引了很多研究者的关注。由于钙钛矿材料的光稳定性差，在激光直写图案化过程中，保持钙钛矿量子点优异的光学特性是这一研究的重要挑战。

    近日，北京理工大学钟海政课题组和北京大学施可彬课题组合作，报道了钙钛矿量子点激光直写原位制备图案化技术，实现了高分辨率、高发光效率钙钛矿量子点图案，像素尺寸小于900 nm，荧光效率达到92%。

    目前该文章以“In Situ Patterning Perovskite Quantum Dots by Direct Laser Writing Fabrication”为题发表于ACS Photonics。

该研究主要基于聚合物与钙钛矿量子点导热率的差异，利用405 nm纳秒激光作为光源，通过对包含钙钛矿前驱体的聚合物薄膜进行激光直写，实现了γ-CsPbI3钙钛矿量子点的图案化制备。

如图1所示，其工作流程十分简单主要分为两步：

• 第一步：前驱体薄膜的原位制备；

• 第二步：激光直写制备图案化。通过激光退火代替热退火，在形成量子点的同时也完成了图案化的制备。由于聚合物的包覆，所制备的钙钛矿量子点可保持优异的发光特性，量子产率高达92%。

图1 激光直写制备钙钛矿图案化薄膜的流程图

    通过改变激光写入的参数，研究者制作了周期为4 μm的荧光光栅。如图2所示，所得的光栅具有均匀且周期性的结构，且表现出显著的偏振调制特性。

图2 激光直写制备钙钛矿发光光栅及其偏振特性

    此外，为了证明该技术的普适性，研究人员展示了更加复杂图案的制备。图3显示了使用OLYMPUS MX51光学显微镜在白光（图3a–c）和UV-365 nm光照（图3d–f）下制作的图案化钙钛矿量子点的光学图像。

 

图3 荧光显微镜下图案化的钙钛矿量子点的复杂结构 (标尺：10 μm)

    激光加工图案的写入轨迹由可编程系统控制。可以看到，复杂图案在光学显微镜的亮场下线条连续且均匀。这种图案在阳光下不明显，但在UV-365 nm的光下会显示出明亮的红色荧光，表明了其在防伪和光学加密中的潜在应用。同时他们的研究表明，除了使用405 nm纳秒激光光源外，他们的研究表明连续光半导体也作为激光直写的光源来进行钙钛矿量子点的图案化。这种可实现高分辨率图案的简单激光直写技术，为未来钙钛矿量子点在Micro LED色转换、防伪加密、信息存储等领域的应用提供了机遇。

    论文的第一作者是北京理工大学的硕士生詹雯杰同学，北京大学的邵陈狄博士，北京理工大学的孟令海同学、吴显刚同学参与了该项研究，该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

    文章信息

    In Situ Patterning Perovskite Quantum Dots by Direct Laser Writing Fabrication, Wenjie Zhan, Linghai Meng, Chendi Shao, Xian-gang Wu, Kebin Shi, and Haizheng Zhong, ACS Photonics.

    论文的第一作者是北京理工大学的硕士生詹雯杰同学，北京大学的绍陈荻博士，北京理工大学的孟令海同学、吴显刚同学参与了该项研究，该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。