成果出自香港科大HKUST先进显示和光电子技术国家重点实验室（skl）
第一作者：jianxin song
导师：Abhishek K. Srivastava
本文公开了一种发射线偏振光的彩色滤光片，实现了全彩和像素级精度，同时为现代显示器提供了高色彩饱和度、高环境对比度和高效率。量子棒（QRs）的窄带偏振发射有效缓解了传统色彩纯度和光损耗的挑战。通过量子棒表面特殊设计的配体，实现了量子棒材料在聚合物基质中的高负载和均匀取向。通过优化喷墨打印、光刻和光取向工艺，我们实现了红绿量子棒彩色滤光片的显著偏振度（DOP）0.65。由于单向排列量子棒的偏振发射特性，配备该QRCF的液晶显示器展现出更高的效率和环境对比度，突出了其在下一代显示器应用中的优势。
全彩显示技术作为视觉技术的基石，近年来经历了多方面的动态发展。该技术利用色彩作为媒介，将现实世界的复杂性和丰富性转化为视觉信息。液晶显示器（LCD）以其可靠性、易集成性和美观性成为主流显示技术。随后，有机发光二极管（OLED）技术以其卓越的对比度和设计灵活性开启了显示技术的新篇章。尽管图像质量在过去几年显著提升，接近人眼视觉极限，但这些显示器的效率仍徘徊在3-5%之间，高像素密度显示器的效率更低。欧洲联盟于2023年3月1日修订了现代显示器在开启模式下的能效指数（EEI）限值为0.9。商用显示器的EEI范围在1.4至1.8之间。显示器（包括LCD和OLED）的关键组件之一是彩色滤光片（CF）。其吸收性质导致超过70%的光学损耗，使得进一步提高显示器能效变得困难。延长电池续航需要牺牲显示亮度、图像频率或其他性能。传统LCD中，来自背光的白光通过偏振片和液晶单元控制亮度和最终色彩。传统LCD面板的色彩主要通过有机染料实现，这些染料吸收特定波长区域的光。红、绿、蓝（RGB）三种吸收式彩色滤光片（ACFs）在每个像素中提供全彩图像，但由于大部分初始白光被吸收，光学效率较低。此外，由于吸收带较宽且RGB吸收带重叠显著，ACFs的色彩饱和度较差。近年来，使用光致发光（PL）材料制造的彩色滤光片（PLCFs）因其能够实现高亮度、高效率、大视角的全彩发射型显示器而受到越来越多的关注。PLCFs在微型LED显示器领域具有深远影响。配备PLCFs的LCD显示出高亮度和广色域。然而，基于荧光有机染料的PLCFs面临内部量子效率（IQE）低和色彩纯度不足的问题。尽管通过化学修饰和封装等方法尝试解决这些问题，但这些方法显著增加了CF制造的复杂性和成本。量子棒（QRs）因其拉长的形状、更大的紫外-蓝光吸收截面、更快的辐射衰减速率和优异的光学性质，在CF技术发展中展现出更大的优势。QRs的偏振发射特性使其在显示技术中具有潜在的高效应用前景。
1、材料合成 通过银催化的一锅法合成的CdSe/Zn~x~Cd~1-x~S量子棒显示出优异的发光量子产率（PLQY）和偏振特性。
2、薄膜均匀性优化 T型配体修饰的量子棒在液晶聚合物中表现出更高的分散性和均匀性，有效减少了聚集和荧光猝灭问题。
3、偏振发射彩色滤光片设计与表征 通过光取向技术实现的量子棒排列显示出高达0.65的偏振度（DOP），显著提高了显示器的环境对比度和光学效率。
4、环境对比度模拟与测量 量子棒彩色滤光片在环境光下的对比度显著优于传统量子点滤光片，模拟和实验结果一致。
1、绿色发射量子棒的合成采用种子生长法合成CdSe/CdS量子棒（
= 578 nm，半高宽=31 nm）。通过银催化的一锅法将CdSe/CdS量子棒转化为CdSe/
量子棒，最终产物在氯苯中的浓度为25 g/L。
2、配体交换过程使用T型配体和短链配体（HPA）对量子棒进行配体交换，以提高其在液晶单体（LCM）中的分散性和取向性。
3、墨水制备喷墨打印使用量子棒与液晶单体的混合物作为墨水，溶剂为氯苯和1,2-二氯苯的混合液。
4、SD1薄膜涂覆和光取向 使用磺化偶氮染料分子（SD1）作为光取向层，通过旋涂和偏振紫外光照射实现量子棒的取向排列。
5、掩模制备光刻使用的掩模为铬镀层玻璃基板，图案为500微米间距、300微米边长的方形矩阵。
6、光刻像素化彩色滤光片制备通过旋涂、紫外光固化和溶剂清洗等步骤，实现红绿量子棒彩色滤光片的像素化排列。
图1、环境光效应问题的示意图引起的ACR下降以及PECF和PLCF比较的例证；b）QDCF和QRCF环境光激发的仿真结果差异；c）吸收（在450 nm处归一化）和不同材料的发射光谱相对重叠；d）模拟显示图像和e的ACR，f）ACR计算的模拟模型以及环境光激发部分的计算结果。
图2、带有T形和HPA配体组合的量子杆（QR）的A）量子杆（QR）的示意图；b）QRS的QRS；c）具有偏振发射的PLCF；D）PLCF制造过程；E）CF层结构和LCM分子组成。
图3、中的PowerPoint QR材料表征。a）比较通过用Cu+和Ag+属性催化制备的CDSE/ZNXCD1-XS QR的性能；b）CDSE/ZNXCD1-XS QRS合成的PL发射趋势；c）吸收和d）使用CU+和AG+催化的绿色发射CDSE/ZNXCD1-XS QR的绿色发射CDSE/ZNXCD1-XS QR合成的激发各向异性趋势；e）使用Ag+ Catalyzer制备的单个CDSE/ZNXCD1-XS QR的径向EDS元素映射结果；F）CDSE/ZNXCD1-XS QRS的粉末X射线分析结果；g）使用不同催化剂的CD2+到Zn2+阳离子交换过程的示意图。
图4、T形配体交换的QR。b）绿色QR和c）红色QR的TEM图像。D）天然和T形配体的PLCF PL显微镜图像比较。
图5、在a）1 h，b）2 h，c）5 h冲洗PLCF膜的FM图像和对角线亮度分布曲线; d）PLCF像素的DOP测量的示意图；e）GB PLCF数组的FM图像；f）绿色和红色PLCF的PL光谱；g）PLCF的PL强度变化不同，具有不同制造方式的偏振器角度；喷墨印刷h）绿色的平行和垂直偏光层状态pl频谱；和i）红色PECF。
图6、示意图的示意图PECF PECF全彩色LCD设备；b）不同的像素开/关状态和制造的PECF显示器的微图像；c）QRCF和有机染料CF的ACR比较；d）CIE1931颜色空间设备的颜色域。
本研究展示了偏振发射彩色滤光片技术作为传统量子点显示器的有前途替代方案。通过量子棒的合成和表面配体设计，结合喷墨打印和光刻工艺，实现了高偏振度和像素级精度的彩色滤光片。该技术为下一代高性能显示器的发展提供了新的可能性。
原文详情：
J. Song, M. F. Prodanov, Y. Gao, C. Kang, D. Bhadra, Y. Cheng, Z. Liao, K. Mallem, V. Swaminathan, V. V. Vashchenko, X. Wu, X. Liu, A. K. Srivastava, Polarized Color Filters Using Colloidal Quantum Rod Nanocrystals for Advanced High-Performance Displays. Adv. Sci. 2025, 2414316. https://doi.org/10.1002/advs.202414316
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