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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(cè)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(gè)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(gè)挑戰(zhàn)。

電泳沉積(EPD) 技術(shù)利用電場(chǎng)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(jiǎn)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(yáng)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(ài)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(guó)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(wèn)題。通過(guò)精細(xì)的表面設(shè)計(jì)，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(jì)

研究表明，通過(guò)調(diào)整帶電粒子的遷移率，可以調(diào)節(jié)粒子的運(yùn)動(dòng)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(shí)，會(huì)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(shí)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(guò)EPD技術(shù)實(shí)現(xiàn)多粒子可控組裝

通過(guò)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(guò)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(guò)程中控制粒子組裝和調(diào)控粒子分布的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(kāi)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(guò)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(kāi)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(yáng)博士、陳黎暄博士和北京交通大學(xué)唐愛(ài)偉教授為本論文通訊作者。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB3603600、2022YFB3606501)、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2021B1212050009)和北京市自然科學(xué)基金(Z220007)的資助。