基于原子层沉积的量子点色彩转换膜封装_严银菓.pdf

第 44 卷 第 6 期2023年 6 月Vol.44 No.6June,2023发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE基于原子层沉积的量子点色彩转换膜封装严银菓1，蔡俊虎1，周小健1，陈恩果1，2*，徐胜1，2，叶芸1，2，郭太良1，2（1.福州大学 物理与信息工程学院，平板显示技术国家地方联合工程实验室，福建 福州350108；2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室），福建 福州350108）摘要：量子点色转换是实现新型显示器件全彩化和提升显示色域的一种有效策略，但量子点环境稳定性差限制了其应用和发展。本文基于具有自限制表面反应特性的原子层沉积工艺，探索了在量子点色彩转换膜上原位生长致密的氧化铝封装膜，该封装方法将具有高光透过率、高致密的材料与贴合紧密的工艺有效结合。仿真结果表明，氧化铝封装的量子点色彩转换膜的出光强度达到了未封装的 94.9%。并且，实验结果也表明，氧化铝封装基板的光透过率是空白基板的 96.4%，而且封装后的量子点色彩转换膜在高温高湿（85，85%RH）环境中工作 240 h后，光转换效率仍然保持初始的 60.8%，比未封装的光转换效率（11.43%）提升了 63.9%。该封装方法实现了在量子点色彩转换膜出光强度不受影响的同时，有效提升量子点色彩转换膜的稳定性，为量子点色彩转换膜的稳定性提升提供了一条可行思路，同时扩展了原子层沉积工艺在光电显示领域的应用，具有重要的科学意义和应用前景。关键词：氧化铝；原子层沉积；量子点色彩转换膜；光透过率；稳定性。中图分类号：O484.5 文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20230012Encapsulation of Quantum-dot Color Conversion Films Based on Atomic Layer DepositionYAN Yinguo1，CAI Junhu1，ZHOU Xiaojian1，CHEN Enguo1，2*，XU Sheng1，2，YE Yun1，2，GUO Tailiang1，2（1.National-Local United Engineering Laboratory of Flat Panel Display Technology，College of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China；2.Fujian Science Technology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of China（Mindu Innovation Laboratory），Fuzhou 350108，China）*Corresponding Author，E-mail：Abstract：Quantum dot color conversion（QDCC）is an effective strategy to realize the full color of new display devices and improve the display color gamut，but the poor environmental stability of QD limits its application and development.Based on the atomic layer deposition（ALD）process with self-limiting surface reaction characteristics，this paper explores the insitu growth of dense alumina encapsulation film on a quantum-dot color conversion film（QDCCF）.This encapsulation method effectively combines a high light transmittance and high dense material with a tightly bonded process.The simulation results show that the light intensity of the QDCCF encapsulated by alumina reaches 94.9%of that of the unencapsulated one.Furthermore，the experimental results also show that the light transmittance of the substrate with alumina encapsulation is 96.4%of the blank substrate.Moreover，after working for 240 h in a high temperature and high humidity（85，85%RH）environment，the light conversion efficiency of the encapsulated QDCCF remains 60.8%of the initial，which is 63.9%higher than the unencapsulated（11.43%）.The encapsulation method effectively improves the stability of QDCCF while the light intensity is not affected，which 文章编号：1000-7032（2023）06-1059-10收稿日期：20230119；修订日期：20230219基金项目：国家自然科学基金（62175032）；福建省自然科学基金（2021J01579）；福建省科技重大专项（2021HZ021001）；闽都创新实验室自主部署项目（2020ZZ111）Supported by National Natural Science Foundation of China（62175032）；Fujian Provincial Natural Science Foundation Project（2021J01579）；Fujian Provincial Key Science and Technology Project（2021HZ021001）；Fujian Science&Technology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of China（2020ZZ111）第 44 卷发光学报provides a feasible idea for improving the stability of QDCCF，and expands the application of ALD process in the field of photoelectric display，which has important scientific significance and application prospects.Key words：alumina；atomic layer deposition；quantum dot color conversion film；light transmittance；stability1引言量子点相比传统的发光材料具有宽激发谱和窄发射谱、高色纯度、高量子产率和发光波长可调等优点，是一种很有前途的荧光材料。它可以提供高色纯度的下转换光，从而显著提高显示器的色 域1-9。将 量 子 点 色 彩 转 换 膜 与 液 晶 显 示 器（LCD）结合可大幅提高液晶显示器件的光效与色域10-12；与 Micro-LED 结合可实现 Micro-LED 超高分辨率和高色域的全彩化显示13-16。量子点材料由于其较大的比表面积，具有极高的活性，对水分和氧气非常敏感，量子点表面的配体很容易脱落或 被 氧 化，在 激 发 光 的 催 化 下 会 发 生 荧 光 猝灭17-19。当前，量子点色彩转换膜仍面临如何克服量子点稳定性、保证器件寿命和性能的关键问题，对量子点及其器件稳定性改善的研究意义重大。近年来，研究者们通过对单体量子点进行有机或无机包覆以提高量子点的稳定性，如使用二氧化硅和硫化锌等材料对单体的量子点进行改性，提高量子点的环境稳定性20-23，从而提高量子点色彩转换膜的稳定性，但是该包覆策略常常需要考虑量子点的包覆材料与光刻胶材料的兼容性。除了在量子点色转换材料本身下功夫，也有通过在量子点色彩转换膜两侧添加阻隔膜来提高量子点色彩转换膜的稳定性24。但传统的阻隔膜不仅存在光透过率低的问题，而且当量子点色彩转换膜表面存在不平整时，势必会造成量子点色彩转换膜与阻隔膜之间贴合不够紧密，从而给器件稳定性和出光性能造成影响25-26。因此，研究透光且致密的封装材料与贴合紧密的封装工艺对量子点色彩转换膜光学性能和稳定性的提升是很有必要的。原子层沉积技术是一种有序的纳米膜形成方法，可以实现在衬底上原位沉积一种致密度高、厚度可控的光滑薄膜27-29。本文基于原子层沉积工艺，探索了在量子点色彩转换膜上原位生长氧化铝（Al2O3）层的封装策略。利用仿真与实验结合，证明了 Al2O3薄膜的高光透过率以及对量子点色彩转换膜出光不会造成明显的光能损失；测试对比了有无 Al2O3封装的量子点色彩转换膜的稳定性；通过光转换效率对量子点色彩转换膜的发光性能进行了衡量。2量子点色彩转换膜制备本文采用光刻工艺制备了量子点色转换层，实验使用的红色量子点光刻胶采购于广东谱加福光电科技有限公司，其型号为 PJF-B1220507R2。光刻技术主要包括前期的基板清洗、旋涂、前烘、曝光、显影、后烘等工艺步骤。（1）基板清洗：首先使用无尘棉布和玻璃水对玻璃基板进行清洗；接着依次使用丙酮、异丙醇（或者无水乙醇）和纯水对玻璃基板进行超声清洗 20 30 min；最后再使用恒温加热器烘干。（2）旋涂成膜：由于量子点光刻胶里面含有散射粒子，故每次使用前需将量 子 点 光 刻 胶 材 料 在 800 r/min 磁 力 搅 拌 下 15 min，再静置 5 min 消除磁子旋转带来的气泡。旋涂的参数为高速 800 r/min，时间为 30 s。（3）前烘：在 100 的恒温条件下，烘烤 7 min，挥发量子点光刻胶材料中的部分溶剂，增加膜层与玻璃基板的附着力，然后冷却 2 min 再进行下一步的曝光。（4）曝光：本实验使用的光刻机（URE-2000/35）功率为 10.8 mW/cm2，曝光时间为 20 s，实验采用的是负性光刻胶，被紫光照射的膜层发生交联固化反应保留下来，未被紫光照射的膜层区域将被去除。（5）显影：将曝光完成的量子点色彩转换膜浸没至显影液中轻轻晃动 60 s 后取出，再将显影完成后的量子点色彩转换膜浸入纯水中缓慢晃动，最后用氮气将量子点色彩转换膜表面的水渍吹干。（6）后烘：将膜层置于 150 的高温下烘烤 20 min，进一步挥发掉光刻胶中的溶剂及残余的水分。图 1（a）展示的是本文采用的 CdSe/ZnS量子点的可见光吸收谱（Abs）和光致发光谱（PL），光致发光光谱的发射峰唯一且对称，中心波长为 626 nm，位于红色波段。量子点的半峰宽为 26 nm，发光色纯度较高。同时，还可以观察到吸收光谱相对于发射光谱发生了小部分红移，这是由于在发出荧光之前，激发态分子经历了振动松弛和内转化的过程而1060第 6 期严银菓，等：基于原子层沉积的量子点色彩转换膜封装失去部分能量30。图 1（b）表示的是上、中、下层量子点溶液的光致