Nature Communications|钙钛矿量子点原位直接光刻

撰稿|由课题组供稿

相关成果以“Direct in situ photolithography of perovskite quantum dots based on photocatalysis of lead bromide complexes”为题，在国际知名期刊Nature Communications上发表（DOI: 10.1038/s41467-022-34453-9）。北京理工大学硕士生张萍萍为论文第一作者，杨高岭为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、北京自然科学基金、北京理工大学青年学者启动计划等项目的支持；低维量子结构与器件工信部重点实验室和先进材料实验中心提供了平台。

Micro-LED具有高色域、高亮度、高对比度等优势，是实现虚拟/增强现实（VR/AR）显示的重要技术，而全彩化是其所面临的重要挑战之一。将量子点与蓝光Micro-LED结合，能够将蓝光转化为红光和绿光，有效解决红光芯片短缺、三色芯片巨量转移的问题。

与CdSe和InP量子点相比，钙钛矿量子点具有吸收系数高、可原位制备等特点，成为色转换应用的重要材料体系之一。北京理工大学钟海政课题组是国际上最早开展钙钛矿量子点研究的课题组之一（ACS Nano 2015, 9, 6434, 中国专利CN 104388089B）。2016年，周青超等人发明了钙钛矿量子点原位制备技术（Advanced Materials 2016, 28, 9163），经过产学研合作，在全球率先实现了钙钛矿量子点的液晶显示应用，已经开始商业化（http://www.zhijingtech.cn）。

为满足Micro-LED色转换需求，钙钛矿量子点需图案化为像素阵列。光刻利用光在光刻胶上形成图案，具有高分辨、可大规模生产、适用性广等优势，在图案化纳米材料进行光电器件集成方面展现出巨大的潜力。然而，由于钙钛矿的光不稳定性和离子特性，传统光刻的高能紫外光和加工溶剂往往会造成钙钛矿光学性质的不可逆损失，极大地限制了钙钛矿光刻技术的发展。

原位直接光刻工艺如下：

（1）基底处理：用硅烷偶联剂对基底进行处理，使其表面具有丰富的烯基（巯基）官能团，为曝光图案提供共价结合位点。

（2）成膜：钙钛矿前驱体光刻胶在基底上形成液膜，这一光刻胶是将钙钛矿前驱体及多巯基单体、多烯基单体在极性非质子溶剂中制备得到，不外加任何引发剂和催化剂。

（3）曝光：将光刻掩膜版置于液膜之上，用365 nm紫外灯进行曝光，曝光区域巯基和烯基单体在铅溴配合物催化下发生光交联，而未曝光区域不发生改变。

（4）显影：曝光后的薄膜在旋涂过程中用显影液（氯仿/乙酸乙酯）冲洗，曝光区固化物紧密粘附在基底上，未曝光的光刻胶被冲洗去除。

（5）加热退火：固化物中的前驱体在加热退火过程中原位生成钙钛矿量子点，均匀镶嵌在聚合物中，从而得到钙钛矿量子点发光图案。     

图1 原位直接光刻技术示意图

将直接光刻与钙钛矿原位制备技术结合，这一方法能够直接光刻前驱体溶液，无需提前制备钙钛矿量子点，钙钛矿量子点在光刻后原位生成，避免了传统光刻高能紫外光和光刻加工溶剂对钙钛矿的破坏。此外，研究人员发现了钙钛矿前驱体溶液中铅溴配合物的光催化能力，能够催化巯基-烯自由基光聚合反应，不仅能满足快速光刻的需求还无需外加任何引发剂或催化剂。

利用原位直接光刻技术，研究人员成功构造出分辨率高达2450 PPI、发光均匀、厚度高达10 μm、具有良好稳定性的红、绿、蓝及全彩钙钛矿量子点图案。这一工作为高效发光钙钛矿量子点非破坏性光刻开辟了新路径，有效满足Micro-LED色转换及其他光电集成需求。

图2 原位直接光刻的钙钛矿量子点荧光图案。

Pingping Zhang, Gaoling Yang*, Fei Li, Jianbing Shi, and Haizheng Zhong, Direct in situ photolithography of perovskite quantum dots based on photocatalysis of lead bromide complexes, Nature Communications, 2022, 13, 6713.

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34453-9