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。若將量子點應用于顯示器技術(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，華東理工大學鄭致剛教授團隊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)以實現(xiàn)對受到局域表面等離子體共振影響的熒光量子點光強調(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，具有很強的應用潛力。

▍研究背景

量子點（QDs）是半導體的一種，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的大小，通常在2 nm到10 nm之間。目前，量子點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，只需給紅色量子點供電并刺激它。QLED市場價值在2012年大約有1.5億美元，2019年達到幾十億美元，目前仍存在很大的上升空間。

量子點除這類電激發(fā)材料(QLED)，也可以作為一種光致發(fā)光材料。當光源提供的光子能量大于帶隙能量，量子點將會受到激發(fā)。入射光激發(fā)的偏振可以用半導體布洛赫方程表征。一旦光子被吸收，在導帶和價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，可以控制量子點的光激發(fā)。

▍量子點顯示研究原理

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

圖1：量子點和光激發(fā)

圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

為了在特定位置增強入射光的光場強度，我們采用了LSPR技術(shù)。當具有一定偏振的入射光照射在具有尖銳尖端(例如角、頂點、邊緣)的金屬納米結(jié)構(gòu)上時，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)極強的光強。

對于單個像素，紫外入射光通過一個電控液晶結(jié)構(gòu)來實現(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)?，也可以是穩(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)動電路對每個像素單元的驅(qū)動電壓獨立調(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。

基于光強增強效應，我們提出一個如圖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)層之后會形成光強熱點區(qū)域，進而激發(fā)附著在熱點區(qū)域的熒光量子點，產(chǎn)生相應顏色的熒光。

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（紅、綠、藍）沉積固定在透明玻璃基板上的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)的頂點上。液晶調(diào)制器由多個液晶盒組成，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，玻璃基板可阻擋紫外線以保護人體健康。

▍FDTD模擬

利用時域有限差分法（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處產(chǎn)生熱點。為了找到在特定偏振態(tài)下只有在一個頂點具有強電場而在其他頂點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進行模擬（熱點用紅色圓圈圈出）。當光的偏振方向沿金屬三角形中垂線時，偏振方向所指的頂點電場放大了20多倍，另兩個頂點略有電場放大的區(qū)域；當偏振方向沿金屬三角形某一條邊時，偏振方向所指的兩個頂點電場放大了100倍以上，另外一個頂點的電場沒有被放大，呈現(xiàn)弱光狀態(tài)。這種特性可以在補色光（CMY）體系中得到很好的應用。   

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的凹槽來容納相應的量子點。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，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或者相對的邊上放置相同的量子點，所以每一個矩形可以放置兩種不同的量子點。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。

同時在矩形金屬頂點也研究了場放大作用。電場放大倍數(shù)約為40，可以看到位于兩個對角頂點處的熱點，同時，在另外兩個對角頂點處的電場非常弱。將量子點放置在矩形頂點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的電場分布

圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):32-39.

▍量子點顯示模式的實驗方案設(shè)計

為了將量子點連接到如圖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。角處小孔的半徑應小于25 nm，否則顯現(xiàn)的顏色將會變?nèi)?。除了紅和藍量子點的組合外，我們可以用同樣的方法獲得其他兩種組合（紅和綠，綠和藍）。然后我們可以把這些元素放入一個矩陣中來形成顯示屏上的像素。

圖7：量子點與金屬結(jié)構(gòu)連結(jié)預期的結(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)會導致不同的光強分布，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三種顏色量子點分別放置在三個頂點的金屬三角形，會產(chǎn)生紅綠藍組合色，也就是白色，如圖9所示。此外，利用橢圓偏振光，由于各頂點位置光強分布不均，還可以得到其他的組合色，如圖10所示。正因為不同偏振態(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，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的方法可以在顯示以及非顯示領(lǐng)域獲得應用。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年于香港科技大學獲得博士學位，畢業(yè)后加入華東理工大學鄭致剛教授團隊，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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