顯示器作為日常生活中常用的設(shè)備，是電子信息的主要輸出設(shè)備，其技術(shù)應(yīng)用具有十分重要的地位。而傳統(tǒng)的顯示器由于濾色器的存在，有較大的功耗，且能量利用率不高。若將量子點(diǎn)應(yīng)用于顯示器技術(shù)中，其精確的窄光譜帶寬、高的發(fā)光效率和波長可調(diào)的優(yōu)良光學(xué)特性為顯示器技術(shù)的發(fā)展帶來了一種全新的模式。

近期，華東理工大學(xué)鄭致剛教授團(tuán)隊(duì)汪思涵和王驍乾等以“基于液晶調(diào)制光偏振的熒光量子點(diǎn)顯示模式”為題，在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus、中文核心期刊）2023年第1期發(fā)表文章。

文章提出了一種利用液晶調(diào)制紫外光偏振態(tài)以實(shí)現(xiàn)對受到局域表面等離子體共振影響的熒光量子點(diǎn)光強(qiáng)調(diào)制的方法，并以此提出了一種具有較高的能量利用率和較大的色域的顯示模式，具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

▍研究背景

量子點(diǎn)（QDs）是半導(dǎo)體的一種，它的激發(fā)性電子被限制在三維空間中，發(fā)出光的波長取決于量子點(diǎn)的大小，通常在2 nm到10 nm之間。目前，量子點(diǎn)以其精確的窄光譜帶寬、高的發(fā)光效率和波長可調(diào)的優(yōu)良光學(xué)特性受到越來越多的關(guān)注。

液晶顯示器(LCD)中由于濾色器的存在，有較大的功耗，且能量利用率不高。針對這種情況，有很多著名的公司在開發(fā)QLED顯示器，包括LG、三星、QD vision (MIT)、Nanosys等。QLED的結(jié)構(gòu)與OLED非常相似，其亞像素中卻沒有濾色器的存在。如果需要紅色，只需給紅色量子點(diǎn)供電并刺激它。QLED市場價(jià)值在2012年大約有1.5億美元，2019年達(dá)到幾十億美元，目前仍存在很大的上升空間。

量子點(diǎn)除這類電激發(fā)材料(QLED)，也可以作為一種光致發(fā)光材料。當(dāng)光源提供的光子能量大于帶隙能量，量子點(diǎn)將會受到激發(fā)。入射光激發(fā)的偏振可以用半導(dǎo)體布洛赫方程表征。一旦光子被吸收，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中會分別形成具有有限動量K的電子和空穴。然后，激發(fā)產(chǎn)生能量和動量弛豫直至帶隙最小。其中典型的機(jī)制是庫侖散射和聲子相互作用。最后，電子將在光子發(fā)射的作用下與空穴重新結(jié)合。通過基于液晶結(jié)構(gòu)的偏振調(diào)制器，可以控制量子點(diǎn)的光激發(fā)。

▍量子點(diǎn)顯示研究原理

如圖1所示，特定尺寸的半導(dǎo)體量子點(diǎn)（CdSe）可以被不可見的紫外光（UV）（340 nm）激發(fā)并發(fā)出藍(lán)光（420 nm）。UV光的光強(qiáng)I與電場強(qiáng)度的平方|E|2成正比。因此，越強(qiáng)的電場將有助于產(chǎn)生更多的激發(fā)光子。

圖1：量子點(diǎn)和光激發(fā)
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

為了在特定位置增強(qiáng)入射光的光場強(qiáng)度，我們采用了LSPR技術(shù)。當(dāng)具有一定偏振的入射光照射在具有尖銳尖端(例如角、頂點(diǎn)、邊緣)的金屬納米結(jié)構(gòu)上時(shí)，光分布將很大程度上受到局域表面等離子體共振的影響，并且在與尖端接近的區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)極強(qiáng)的光強(qiáng)。

對于單個(gè)像素，紫外入射光通過一個(gè)電控液晶結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對出射光偏振態(tài)的調(diào)制。例如，一種可以調(diào)制線偏振入射光的偏振面的電控液晶結(jié)構(gòu)如圖2所示，對該結(jié)構(gòu)中間的液晶層施加電壓，相位延遲量會隨電壓變化，在經(jīng)過后面那層1/4波片之后，偏振面也會隨電壓改變。值得注意的是，中間液晶層所需的取向?qū)涌梢允菃我环较虻哪Σ寥∠驅(qū)樱部梢允欠€(wěn)定化的光取向?qū)樱苑乐棺贤饩€對取向?qū)拥钠茐摹?/p>

圖2：電控旋轉(zhuǎn)偏振面的液晶結(jié)構(gòu)圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1): 32-39.

通過調(diào)制，可以得到偏轉(zhuǎn)角與電壓有關(guān)的線偏轉(zhuǎn)出射光，實(shí)現(xiàn)通過液晶結(jié)構(gòu)電控入射光的偏振態(tài)。對于像素陣列的情況，可參考TFT-LCD的驅(qū)動電路對每個(gè)像素單元的驅(qū)動電壓獨(dú)立調(diào)制。另外，通過在液晶結(jié)構(gòu)中再添加一片電控液晶層，可以增加一個(gè)調(diào)諧自由度，使偏振態(tài)的調(diào)制不再局限于線偏振面的旋轉(zhuǎn)，甚至可以在橢圓偏振、圓偏振和線偏振之間轉(zhuǎn)變，調(diào)制范圍更廣。

基于光強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)，我們提出一個(gè)如圖3所示的生成有色光的結(jié)構(gòu)。光照射到金屬納米結(jié)構(gòu)層之后會形成光強(qiáng)熱點(diǎn)區(qū)域，進(jìn)而激發(fā)附著在熱點(diǎn)區(qū)域的熒光量子點(diǎn)，產(chǎn)生相應(yīng)顏色的熒光。

圖3：提出的生成有色光結(jié)構(gòu)
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1): 32-39.

三種量子點(diǎn)（紅、綠、藍(lán)）沉積固定在透明玻璃基板上的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)上。液晶調(diào)制器由多個(gè)液晶盒組成，以調(diào)制入射紫外光的偏振，使某些特定區(qū)域內(nèi)的QDs被強(qiáng)烈地激發(fā)。此后，激發(fā)的有色光將穿過玻璃基板并被人眼感知。入射光的光強(qiáng)分布會隨著偏振態(tài)的變化而改變，從而使出射光呈現(xiàn)出不同的顏色。同時(shí)，玻璃基板可阻擋紫外線以保護(hù)人體健康。

▍FDTD模擬

利用時(shí)域有限差分法（FDTD）模擬了一些特殊結(jié)構(gòu)的電場分布。具有一定線性偏振的光將在三角形的頂點(diǎn)處產(chǎn)生熱點(diǎn)。為了找到在特定偏振態(tài)下只有在一個(gè)頂點(diǎn)具有強(qiáng)電場而在其他頂點(diǎn)只具有微弱電場的結(jié)構(gòu)，選擇金屬層由具有三角形形狀、厚度為100 nm的鋁制成，基板由Al?O?制成，正常入射光源的波長為325 nm進(jìn)行模擬（熱點(diǎn)用紅色圓圈圈出）。當(dāng)光的偏振方向沿金屬三角形中垂線時(shí)，偏振方向所指的頂點(diǎn)電場放大了20多倍，另兩個(gè)頂點(diǎn)略有電場放大的區(qū)域；當(dāng)偏振方向沿金屬三角形某一條邊時(shí)，偏振方向所指的兩個(gè)頂點(diǎn)電場放大了100倍以上，另外一個(gè)頂點(diǎn)的電場沒有被放大，呈現(xiàn)弱光狀態(tài)。這種特性可以在補(bǔ)色光（CMY）體系中得到很好的應(yīng)用。   

圖4：不同偏振入射光下的電場分布，(a)：偏振方向沿中垂線(b)：偏振方向沿三角形的一條邊
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

為了使更多的量子點(diǎn)得到光激發(fā)，設(shè)置了深為100 nm、寬度為50 nm的凹槽來容納相應(yīng)的量子點(diǎn)。圖5（a）（b）分別顯示了沿邊偏振的光在另兩條凹槽的中間區(qū)域形成電場放大和沿中垂線偏振的光在一條凹槽的中間區(qū)域形成電場放大，放大倍數(shù)均接近20。

圖5：不同溝槽結(jié)構(gòu)的電場分布，1.三角形溝槽結(jié)構(gòu)(a)：入射光偏振方向垂直于中垂線(b)：入射光偏振方向沿中垂線2.矩形溝槽結(jié)構(gòu)(c)：入射光偏振方向沿水平方向(d)：入射光偏振方向沿垂直方向(e)：入射光偏振方向沿對角線
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

考慮到矩形結(jié)構(gòu)的易加工的特點(diǎn)，對矩形結(jié)構(gòu)也做了模擬。矩形的圖形對稱性使其只能在相對的頂點(diǎn)或者相對的邊上放置相同的量子點(diǎn)，所以每一個(gè)矩形可以放置兩種不同的量子點(diǎn)。圖5下方的三張圖顯示了矩形凹槽結(jié)構(gòu)在不同方向線偏振光照射下的電場分布，沿邊偏振的光在矩形兩條垂直偏振方向的凹槽的中間區(qū)域形成電場放大，放大倍數(shù)約為16，沿45°角方向偏振的光在矩形四條凹槽的中間區(qū)域形成電場放大，放大倍數(shù)接近10。凹槽圍成三角形的效果明顯要好于其圍成矩形的效果，若如果考慮加工難易度、精度以及與分辨率、對比度相關(guān)的堆積密度，矩形可能是比較合適形狀。

同時(shí)在矩形金屬頂點(diǎn)也研究了場放大作用。電場放大倍數(shù)約為40，可以看到位于兩個(gè)對角頂點(diǎn)處的熱點(diǎn)，同時(shí)，在另外兩個(gè)對角頂點(diǎn)處的電場非常弱。將量子點(diǎn)放置在矩形頂點(diǎn)位置的效果與前述幾種結(jié)構(gòu)的效果相比，在對比度方面有明顯的優(yōu)勢，同時(shí)加工難度較低。

圖6：矩形結(jié)構(gòu)電場分布，(a)、(b)圖分別表示偏振方向沿矩形兩條不同對角線時(shí)的電場分布
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

▍量子點(diǎn)顯示模式的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了將量子點(diǎn)連接到如圖7中所示的矩形金屬納米結(jié)構(gòu)中，提出了如圖8所示的過程方法，即首先在基板上旋涂一層大約200 nm的PMMA，然后使用電子束刻蝕矩形網(wǎng)格，接著通過蒸鍍沉積鋁膜，再利用丙酮洗去PMMA層留下矩形鋁格，接下來再旋涂一層PMMA，利用電子束在矩形鋁格角落位置刻蝕小洞，再噴濺第一種量子點(diǎn)溶液并洗去PMMA，最后再利用相同的方法（電子束刻蝕小洞+噴濺）來植入第二種量子點(diǎn)。角處小孔的半徑應(yīng)小于25 nm，否則顯現(xiàn)的顏色將會變?nèi)酢３思t和藍(lán)量子點(diǎn)的組合外，我們可以用同樣的方法獲得其他兩種組合（紅和綠，綠和藍(lán)）。然后我們可以把這些元素放入一個(gè)矩陣中來形成顯示屏上的像素。

圖7：量子點(diǎn)與金屬結(jié)構(gòu)連結(jié)預(yù)期的結(jié)構(gòu)
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

圖8：提出的結(jié)構(gòu)的制造過程
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

▍討論

不同偏振態(tài)的紫外光照射金屬納米結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致不同的光強(qiáng)分布，利用主動式液晶的多層結(jié)構(gòu)可以通過電控的方式實(shí)現(xiàn)各種光的偏振態(tài)。由于對稱性的緣故，利用圓偏振光照射由紅綠藍(lán)三種顏色量子點(diǎn)分別放置在三個(gè)頂點(diǎn)的金屬三角形，會產(chǎn)生紅綠藍(lán)組合色，也就是白色，如圖9所示。此外，利用橢圓偏振光，由于各頂點(diǎn)位置光強(qiáng)分布不均，還可以得到其他的組合色，如圖10所示。正因?yàn)椴煌駪B(tài)的UV光入射所產(chǎn)生的顏色不同這一特性，這種結(jié)構(gòu)還可以反過來作為用于檢測UV光偏振態(tài)的一種手段。

圖9：用圓偏振光產(chǎn)生白色
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

圖10：用橢圓偏振光產(chǎn)生混合色
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

▍結(jié)論

基于液晶調(diào)制光偏振的熒光量子點(diǎn)顯示模式與傳統(tǒng)顯示相比，有著較高的能量利用率和較大的色域的優(yōu)點(diǎn)，為人們?nèi)粘５男畔@示提供了一種新的思路。相信這種光偏振態(tài)調(diào)制受表面等離子體激勵的熒光量子點(diǎn)的方法可以在顯示以及非顯示領(lǐng)域獲得應(yīng)用。但也存在著如分辨率、色彩對比度略低等不足,可以在矩形金屬的大小、長寬比或金屬結(jié)構(gòu)的圖形等方面進(jìn)行優(yōu)化（考慮尖角較多的分形結(jié)構(gòu)），來盡可能增大量子點(diǎn)受電場熱區(qū)作用的區(qū)域范圍。

| 論文信息 |

汪思涵，王驍乾，薛文彬，李瀚璘，王翔乾，彭增輝，沈冬，鄭致剛. 基于液晶調(diào)制光偏振的熒光量子點(diǎn)顯示模式[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0306

| 通訊作者介紹 |

王驍乾，博士，講師，2014年于香港科技大學(xué)獲得博士學(xué)位，畢業(yè)后加入華東理工大學(xué)鄭致剛教授團(tuán)隊(duì)，主要從事液晶微納結(jié)構(gòu)及光子器件方面的研究。

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