何梦达是澳门科技大学李良教授团队的一名博士。最近，由他担任第一作者的新论文发表。
谈及该论文他表示：“某个周三的上午，如往常一样在实验室中摸索的我接到一通电话——李良教授让我到办公室。
李老师和我分享了他的灵感：假如可以实现小尺寸、可溶液加工的陶瓷级别稳定的量子点材料，对于推动量子点在 Micro-LED 色转化层中的应用具有重要意义。就这样，我们完成了这一奇妙想法的初步构思。”
有趣的是，又是一个周三的上午，这项工作收获了第一颗果实，何梦达被通知论文被接收。
图 | 李良（来源：资料图）
要想理解这篇论文，先得从微型发光二极管（Micro-LED）技术说起,这种技术可以将单个尺寸小于 50μm 的 LED 芯片阵列化、微小化，然后寻址巨量转移到集成电路上，从而作为独立发光像素实现主动发光矩阵式显示。
相较于液晶显示（light-emitting diode，LED）、有机发光二极管（OLED）以及量子点发光二极管（QLED）等技术，Micro-LED 不仅是自发光，而且具有超高像素、超高解析率、高亮度、高能效及长寿命等优势，在大屏、中小型及微型显示器件中均具有重要应用。
虚拟现实/增强现实（VR/AR）等技术，一般要求显示器的亮度范围达到 10000-50000nits，这给当前的 OLED 和 QLED 等技术带来了一定挑战。
相比之下，Micro-LED 则是 VR/AR 显示最有力的候选技术，在实现高亮度情况下可以同时保持合理的功耗和紧凑性。除 VR 和 AR 外，Micro-LED 在高端电视、手机、可穿戴设备等方面应用也潜力巨大。
虽然 Micro-LED 的显示应用前景逐渐明朗，然而现阶段还存在诸多技术挑战有待解决。而在目前，采用 “UV/蓝光 Micro-LED + 颜色转换层”技术，是一种可行的全彩化方案。
该方案中的颜色转换单元的像素点尺寸、发光性能、稳定性以及均匀性，都将直接影响显示效果。因此，组成色转换层的荧光材料，是该方案的关键要素之一。
目前可用于色转化的稀土掺杂陶瓷荧光粉材料虽然荧光效率高，应用成本低且寿命长，但其颗粒尺寸较大（1-20μm），难以匹配同样处于微米级尺寸的蓝光 Micro-LED 芯片。
同时，陶瓷荧光粉的吸光截面较小、且半峰宽较宽，有效出光率也比较低，这导致 Micro-LED 器件的整体出光效率偏低，因此会增加器件的功耗。
传统胶体量子点荧光材料包括 CdSe、InP 及钙钛矿量子点等，尺寸通常在 1-10nm 之间，具有光吸收系数大、荧光效率高、发射半峰宽窄、发射光谱可调、可溶液加工等优点，所制备的量子点转换层具有自动化水平高、重复性好、精确度高和可图案化等优势，非常适用于 Micro-LED 显示领域。
基于此，一些科研团队已经取得了阶段性的成果，实现了量子点色转化层的制备以及与 Micro-LED 器件的耦合。但是其产业化进程缓慢，在芯片耦合过程中，高亮度、高通量的 Micro-LED 芯片，对量子点的稳定性提出了挑战。
主要原因在于，量子点在水、氧、光、热等条件下，会造成结构破坏和荧光衰减，从而直接影响光学性能。
同时，与传统稀土掺杂荧光相比，量子点由于本身的制备工艺相对复杂，致使成本比较高。因此，本征稳定性挑战和制造成本，成为制约传统量子点材料大规模应用于 Micro-LED 领域的主要瓶颈问题。
很显然，Micro-LED 行业亟需一种如量子点般可溶液加工（小尺寸）和发光性能（窄峰、高效等）优异，又如陶瓷荧光粉一样超稳定和低成本的荧光材料。
陶瓷荧光粉的纳米化研究已开展多年，但其尺寸减小导致的比表面积增大和缺陷增多，致使荧光效率急剧下降。而另一方面，将量子点的稳定性提升至陶瓷级别并保持其溶液加工性，从材料加工的角度来看，存在着巨大的技术挑战。
（来源：ACS Energy Letters）
为此李良课题组采用了一种基于 K2CO3 的选择性烧结策略，将量子点的稳定性提升至陶瓷级别，并能保持其溶液加工性。
近日，相关论文以《用于微型发光二极管中高效颜色转换的超稳定、可溶液加工的 CsPbBr 3 -SiO 2 纳米球》（）为题发在 ACS Energy Letters 上，是该期刊当月最高下载论文之一。
图 | 相关论文（来源：ACS Energy Letters）
何梦达和张庆刚是共同第一作者，意大利米兰-比科卡大学塞尔吉奥·布罗韦利（Sergio Brovelli）教授和李良教授担任共同通讯作者。
图 | 何梦达（来源：何梦达）
论文中，他们详细介绍了一种合成方法，即让 CsPbBr3 纳米晶体嵌入到介孔二氧化硅纳米颗粒中，在完全密封孔道的同时而不引起纳米球颗粒间交联和聚集。合成的材料用作 Micro-LED 的下转换荧光粉。
此次材料的成功研制，意味着为 Micro-LED 行业基础荧光材料研发找到了一条新路径。通过该路径研发出的基础荧光材料，具有荧光性能优异、高稳定性、低成本和易加工等特点。
随着研究的继续，以及陶瓷包覆量子点荧光材料各项性能的继续优化，未来将在 Micro-LED 器件显示样机、VR/AR 等微显示领域完成示范应用。
据介绍，课题组在 2020 年首次提出基于 MCM-41 商用模板的量子点高温固相限域生长法，此后在多项工作中均采用了多款商用模板，但是这些商用模板的外形尺寸都在微米级以上。
为了实现可溶液加工，就必须采用一种小尺寸、单分散的限域生长模板。为此，该团队把目标放在介孔二氧化硅纳米球上。同时，为了可以使用高温固相限域生长法，他们还对介孔二氧化硅纳米球的合成方式进行了优化。
图 | CsPbBr3 -S iO 2 纳米球在不同煅烧温度下的形貌与性能（来源：ACS Energy Letters）
在确定限域生长模板后，课题组基于之前的高温固相合成经验，来生长量子点。然而，实验结果和期待中的并不一样——稳定性和分散性难以兼得，即使以小尺寸的介孔纳米球作为起始模板。
图 | K2CO 3 内部烧结制备的CsPbBr3-SiO2 纳米球的结构与形貌特征（来源：ACS Energy Letters）
为此，该团队将 K 2 CO 3 作为选择性封孔剂引入体系，这选择性地促进了内部孔道的完全坍塌，并防止了颗粒外部的团聚（在 600°C 烧结温度下）。他们还设计实验对 K2CO3 的助熔作用进行验证。结果发现，在 K2CO3 的作用下，完全坍塌的孔道对于内部的 CsPbBr3 纳米晶，具有突出的保护作用。
图 | K2CO 3 的作用机制与 CsPbBr3 -SiO2 纳米球的光学性能（来源：ACS Energy Letters）
同时，令他们惊讶的是，K2CO3 内部的烧结极大提高了材料的室温光致发光量子产率（从 37% 至 87%），从马弗炉中取出的粉末在自然光下也透着明亮的“辉光”。这与 K2CO3 的引入诱导出的 Cs 4 PbBr 6 相有关。至此，这项研究终于宣告成功。
后续，课题组将优化红光陶瓷包覆量子点荧光材料的合成，将其与绿色荧光材料一道应用到 Micro-LED 色转化层的制备上，并将与 Micro-LED 芯片耦合开发出 Micro-LED 器件显示样机，同时也将验证陶瓷包覆量子点荧光材料的巨大应用前景。
参考资料：
1.He, M., Zhang, Q., Carulli, F., Erroi, A., Wei, W., Kong, L., ... & Li, L. （2022）. Ultra-stable, Solution-Processable CsPbBr3-SiO2 Nanospheres for Highly Efficient Color Conversion in Micro Light-Emitting Diodes. ACS Energy Letters, 8, 151-158.
He, M.; Zhang, Q.; Carulli, F.; Erroi, A.; Wei, W.; Kong, L.; Yuan, C.; Wan, Q.; Liu, M.; Liao, X.; Zhan, W.; Han, L.; Guo, X.; Brovelli, S.; Li, L. ACS Energy Letters 2022, 151– 158, DOI: 10.1021/acsenergylett.2c02062