北理工團隊在量子點光刻膠研究中取得重要進展
發布日期：2024-11-14 供稿：材料學院 石建兵 攝影：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數：
近日，北京理工大學材料學院石建兵副教授和光電學院楊高嶺副研究員合作，在量子點光刻膠開發方面取得重要進展。相關研究成果以“Direct Synthesis of Perovskite Quantum Dot Photoresist for Direct Photolithography”為題發表于國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，該文章上線后被選為熱點文章（Hot Paper）。北京理工大學為唯一完成單位，周笑塵和高志遠兩位碩士生為共同第一作者，石建兵和楊高嶺為共同通訊作者，董宇平教授和鐘海政教授對本工作給予了重要指導。
微型發光二極管（Micro-LED）顯示技術憑借高亮度、低功耗和高分辨率等優勢成為當下實現戶外增強現實應用的最優解決方案。直接光刻是一種可高通量構建色轉換陣列，并實現高分辨率全彩Micro-LED顯示的圖案化技術。其中，量子點光刻膠是直接光刻工藝中最為核心的部分（Advanced Optical Materials 2024, 12, 2401106）。鈣鈦礦量子點具有高吸收系數、高熒光量子產率和可原位制備等優勢，成為制備量子點Micro-LED的最佳材料選擇之一。北京理工大學智能光子學團隊一直從事量子點材料開發和應用技術研究，是國際上最早開展鈣鈦礦量子點研究的實驗室之一（ACS Nano 2015, 9, 4533，Google引用>2400次）。2016年，團隊發明了鈣鈦礦量子點原位制備技術（Advanced Materials 2016, 28, 9163），經過產學研合作，在全球率先推出了搭載鈣鈦礦量子點光學膜的電視樣機和首批商業化電視，2024年進入量產階段。面向微顯示應用，團隊成員楊高嶺副研究員將鈣鈦礦的原位制備技術與直接光刻工藝相結合，2022年首次提出量子點原位直接光刻的概念（Nature Communications 2022, 13, 6713），解決了傳統光刻中曝光和顯影過程對鈣鈦礦量子點的破壞問題。再此基礎之上，楊高嶺與材料學院的石建兵副教授合作，進一步開發出可“按需”控制活性自由基的光引發劑接枝低聚物，有效改善了量子點圖案陣列中的線邊緣粗糙度（ACS Applied Nano Materials 2024, DOI: 10.1021/acsanm.3c06297）。為了進一步滿足產業化應用需求、減少高危溶劑的使用，發明了鈣鈦礦量子點的無溶劑原位直接光刻技術（Advanced Optical Materials 2024, 12, 2400486）。
最近，他們通過深度挖掘量子點光刻膠產業痛點，提出了一種可在空氣環境中直接合成鈣鈦礦量子點光刻膠的技術，如圖1所示。與傳統的離心、分離、分散的量子點光刻膠制造工藝不同，該技術利用丙烯酸異冰片酯（IBOA）作為溶劑與聚合單體，制備成可直接圖案化的量子點光刻膠，該直接光刻工藝無需復雜的后處理過程。
圖1. 一步法直接合成鈣鈦礦量子點光刻膠
通過直接光刻工藝，可以構建14 μm厚的色轉換膜，并實現幾乎無熒光損失的全彩色量子點圖案，如圖2所示。微米級的像素陣列邊緣清晰可辨，表面光滑平整，熒光均勻性接近100%。該光刻工藝不需要使用溶劑，原位生成鈣鈦礦量子點，保持了高熒光量子效率，為量子點光刻膠的合成制備提供了全新的思路與解決方案。
圖2. 直接光刻構建量子點像素圖案
該研究得到了國家自然科學基金、北京自然科學基金、致晶科技企業橫向項目等項目的支持。低維量子結構與器件工信部重點實驗室和先進材料實驗中心為該研究提供了平臺。
論文信息：Xiaochen Zhou, Zhiyuan Gao, Jianbing Shi,* Tianhe Li, Shunsheng Wei, Peng Huang, Pingping Zhang, Gaoling Yang.* Angewandte Chemie International Edition 2024, e202413741.
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202413741
附作者簡介：
石建兵，北京理工大學材料學院副教授，主要研究方向為有機多功能材料的開發及其應用，包括：(1) 聚集誘導發光材料的結構設計及其在生物醫學領域的應用；(2) 多功能高分子材料的合成方法學及其在高端光刻膠、藥物智能控釋等領域的應用。作為課題負責人，主持完成國家自然科學青年/面上基金3項、教育部基金2項、企業研發基金3項。自2009年9月入職北京理工大學以來，已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Macromolecules、Biomaterials、Sci. China Chem.等專業學術期刊上發表論文100余篇 (H-index = 39) ，已獲中國授權專利7項。
楊高嶺，北京理工大學光電學院特別副研究員，碩士生導師，目前從事量子點光刻技術及其光電應用研究。主持國家自然科學基金面上、青年項目及北京市自然科學基金面上項目等。近5年，以第一/通訊作者在Nature Synthesis、Nature Communications、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Advanced Optical Materials、ACS Photonics等國際重要期刊發表論文30余篇，兼任Nano Research、Int. J. Extreme Manuf.、《發光學報》等雜志的青年編委。
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