鈣鈦礦量子點的高分辨率圖案化制備對于包括高分辨率顯示器和圖像傳感等應(yīng)用具有重要意義。然而，由于鈣鈦礦量子點不穩(wěn)定性的限制，現(xiàn)有涉及化學試劑以及掩模版的圖案化技術(shù)不適用于鈣鈦礦量子點。因此，制備高分辨率全彩鈣鈦礦量子點陣列仍然是一個挑戰(zhàn)。

近日，吉林大學劉岳峰教授，夏虹教授和清華大學孫洪波教授在Nano Letters合作發(fā)表研究論文“High-Resolution Patterning of Perovskite Quantum Dots via Femtosecond Laser Induced Forward Transfer”。該論文通過飛秒激光誘導正向轉(zhuǎn)移（FsLIFT）技術(shù)，成功實現(xiàn)了高分辨率全彩鈣鈦礦量子點陣列和任意微圖案。FsLIFT技術(shù)將轉(zhuǎn)移、沉積、圖案和對準集成在一個步驟中，并且不涉及掩模和化學試劑的使用，保證了鈣鈦礦量子點光物理特性不受影響。最終成功地實現(xiàn)了具有2μm線寬高分辨率的三基色鈣鈦礦量子點陣列。這項工作為促進基于圖案化鈣鈦礦量子點的各種實際應(yīng)用的開發(fā)提供了一種有前景的策略。

通過FsLIFT技術(shù)制備基于鈣鈦礦量子點的全彩圖案和陣列過程如圖 1a 所示。我們使用飛秒激光實現(xiàn)了鈣鈦礦量子點基于非線性吸收的轉(zhuǎn)移。飛秒激光聚焦在鈣鈦礦量子點薄膜和載體襯底之間的界面上，鈣鈦礦量子點通過非線性吸收引起等離子體的產(chǎn)生和膨脹。因此，激光輻照區(qū)域中的鈣鈦礦量子點可以轉(zhuǎn)移到接收襯底上。由于超短脈沖短于電子-聲子耦合時間，在激光和鈣鈦礦量子點相互作用的過程中，晶格仍然是“冷”的，因此沒有發(fā)生熱損傷，可以很好地保持鈣鈦礦量子點的光物理性質(zhì)。圖1b-d展示了基于紅、綠和藍鈣鈦礦量子點的地球圖案的熒光照片。所得到的實驗結(jié)果說明FsLIFT技術(shù)具有制備圖案化鈣鈦礦量子點的能力。

圖1. （a） 通過FsLIFT制備鈣鈦礦量子點陣列的示意圖。綠色（b）、藍色（c）和紅色（d）鈣鈦礦量子點地球微圖案的熒光照片。

在制備全彩鈣鈦礦量子點陣列之前，我們首先利用FsLIFT技術(shù)制備了單色鈣鈦礦量子點陣列。成功制備了50 μm、20 μm和2 μm寬度的綠色（圖2a-c）、藍色（圖2d-f）和紅色（圖2g-i）圖案化鈣鈦礦量子點陣列?？梢钥闯?，所制備的陣列不僅具有清晰的邊緣，而且表現(xiàn)出均勻明亮的熒光特性，這表明FsLIFT技術(shù)確實是無損的。即使在2 μm的高分辨率下，所制備的鈣鈦礦量子點陣列也完全沒有針孔和裂紋。

圖 2. 通過FsLIFT制備的不同分辨率的綠色（a-c）、藍色（d-f）和紅色（g-i）鈣鈦礦量子點陣列的熒光照片。

為了驗證FsLIFT技術(shù)的高精度并探究轉(zhuǎn)印鈣鈦礦量子點的薄膜質(zhì)量，對接收襯底和相應(yīng)載體襯底上的鈣鈦礦量子點薄膜進行了SEM表征。如圖3a-c所示，激光輻照區(qū)域幾乎沒有殘留的鈣鈦礦量子點。輻照區(qū)域和未輻照區(qū)域的邊界完整、清晰、整齊。此外，未輻照區(qū)域的鈣鈦礦量子點薄膜沒有針孔和裂紋，這證實了FsLIFT的高精度加工特性。載體襯底上的鈣鈦礦量子點也可以重復用作多次轉(zhuǎn)移的材料源，來提高材料利用率。圖3d-f展示了接收襯底上寬度為50 μm、20 μm和2 μm的鈣鈦礦量子點陣列的SEM照片。轉(zhuǎn)印的陣列具有清晰的邊緣，并且轉(zhuǎn)移結(jié)果與熒光照片基本一致。這些實驗結(jié)果表明，所提出的FsLIFT技術(shù)可以有效地制備具有原始熒光特性和清晰邊緣的鈣鈦礦量子點陣列。

圖3.通過FsLIFT制備的載體襯底（a-c）和接收襯底（d-f）上鈣鈦礦量子點陣列的SEM照片。

除了實現(xiàn)高分辨率圖案化制備外，確保鈣鈦礦量子點的光物理性質(zhì)保持不變也是至關(guān)重要的。圖4a展示了旋涂的鈣鈦礦量子點薄膜和轉(zhuǎn)移后的圖案化鈣鈦礦量子點薄膜的PL光譜。顯然，轉(zhuǎn)移后前后的鈣鈦礦量子點薄膜的熒光峰位置和強度沒有移動和降低，這意味著鈣鈦礦量子點的熒光性能幾乎沒有受到影響。此外，旋涂和轉(zhuǎn)移的綠色鈣鈦礦量子點薄膜的TRPL光譜幾乎相同，如圖4b所示。在雙指數(shù)衰減擬合之后，旋涂的鈣鈦礦量子點薄膜在510 nm處的衰減時間約為6.998 ns，而轉(zhuǎn)移的鈣鈦礦量子點薄膜在510 nm處的衰減時間約為6.521 ns。極其接近的激發(fā)態(tài)壽命進一步證明了FsLIFT過程不會增加缺陷并降低激發(fā)態(tài)輻射復合幾率。基于PL和TRPL結(jié)果，我們可以推斷在FsLIFT之后，鈣鈦礦量子點的光物理性質(zhì)可以得到很好的保留。

圖4. 旋涂PQD膜和激光轉(zhuǎn)移PQD膜的PL光譜（a）、在405nm激發(fā)并在510nm波長下測試的TRPL光譜（b）。

得益于飛秒激光直寫系統(tǒng)的靈活性，所提出的FsLIFT技術(shù)也可以用于制備具有復雜圖案的全彩鈣鈦礦量子點。圖5a-c展示了全彩鈣鈦礦量子點蝴蝶微圖案的熒光照片。制備的全彩圖案說明了FsLIFT技術(shù)具有根據(jù)設(shè)計制備彩色微圖案的能力。對于顯示應(yīng)用來說，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是將對齊的RGB子像素精確制備在像素內(nèi)的指定位置。因此，利用FsLIFT工藝重復轉(zhuǎn)移RGB鈣鈦礦量子點薄膜，可以來實現(xiàn)高分辨率全彩顯示應(yīng)用。如圖5d-f所示，已經(jīng)成功地制備了尺寸為50 μm、20 μm和2 μm 的全彩鈣鈦礦量子點陣列，這對顯示應(yīng)用具有重要意義。FsLIFT是一種簡單靈活的PQD圖案化方法工藝來滿足多種實際需求。

圖 5. （a-c）全彩鈣鈦礦量子點圖案的熒光照片。分辨率分別為50 μm（d）、20 μm（e）和2 μm（f）鈣鈦礦量子點陣列的熒光照片。

這項工作開發(fā)了一種高效、無掩模、靈活且可編程的FsLIFT技術(shù)來制備高精度圖案化的鈣鈦礦量子點。該技術(shù)集鈣鈦礦量子點的轉(zhuǎn)移、沉積、圖案化和對準于一步，并且不需要掩模版和化學試劑處理。所制備的全彩鈣鈦礦量子點陣列的最高分辨率可以達到2μm。制備的圖案化鈣鈦礦量子點薄膜具有清晰邊緣，并且光物理性質(zhì)和薄膜質(zhì)量也得到了很好的保留。高分辨率圖案化FsLIFT技術(shù)可以極大地促進基于鈣鈦礦量子點的各種實際應(yīng)用，包括防偽、信息加密和高分辨率顯示。

該論文的第一作者為吉林大學電子科學與工程學院博士生梁書語，通訊作者為吉林大學劉岳峰教授，夏虹教授和清華大學孫洪波教授。劉岳峰教授近年來聚焦熒光材料的高分辨率圖案化技術(shù)，針對近眼顯示，光學成像和熒光防偽等應(yīng)用，開發(fā)了基于飛秒激光加工技術(shù)的一系列熒光材料圖案化方案，包括沉積，燒蝕，前向轉(zhuǎn)移等。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00006