胶体纳米量子点(QD)由于其优异的光学、电子和化学特性，已经在催化、传感器、生物技术、电子学、光电探测器和显示器等广泛领域中展现了巨大潜力。相比于单一粒子体系，由两种或多种不同材料组成的多粒子系统，由于其个别组分的优异特性或综合结构产生的新功能，展示了更多样的性能和功能。然而，将多粒子精确控制组装成图案化的固态设备仍然是一个挑战。
电泳沉积(EPD) 技术利用电场将带电粒子在基板上沉积成膜，可应用于各种材料和任意形状的基板，设备简单、操作灵活、成本低廉且适应性强，具有控制多种粒子规律组装的内在能力。
鉴于此，近日，TCL华星赵金阳博士，陈黎暄博士研究团队联合北京交通大学唐爱伟教授提出了一种多粒子协同电泳沉积策略，实现了可控组装，高效率和高分辨率的显示图案。相关成果以“Multiparticle Synergistic Electrophoretic Deposition Strategy for High-Efficiency and High-Resolution Displays”为题，发表于国际著名期刊《ACS Nano》。
研究人员选用二氧化硅(SiO2)和二氧化钛(TiO2)纳米粒子与量子点(QD)集成，协同纳米粒子的间隔作用和散射效应，以解决单一组分QD膜中由于共振能量转移(FRET)引起的发光效率下降问题。通过精细的表面设计，研究人员利用EPD技术实现了QD、SiO2和TiO2纳米粒子的精确共沉积，提高了QD薄膜的发光效率（图1）。
图1. 多粒子协同电沉积系统的设计
研究表明，通过调整带电粒子的迁移率，可以调节粒子的运动速度，从而控制多粒子在同一悬浮液中的沉积顺序。本文研究了QD和不同配体含量的SiO2粒子的协同沉积，发现当SiO2粒子迁移率低于或高于QD时，会形成分层或梯度分布结构的多粒子膜；而二者迁移率相当时则形成均匀分布的多粒子膜（图2）。其中，粒子的梯度分布可以获得光学梯度结构，而均匀分布的共沉积膜则可以实现QD光致发光性能的显著增强。
图2：通过EPD技术实现多粒子可控组装
通过调节QD和SiO2的比例，优化了共沉积膜中QD的间距，进一步引入TiO2粒子并利用其散射效应，提高了蓝光吸收和能量转化效率。实验结果表明，与单一量子点相比，多粒子协同系统显著提高了光致发光性能。红光和绿光共沉积膜的光致发光量子效率(PLQE)分别提高了2.3倍和3.1倍，达到了46.0%和43.8%。
研究人员利用该多粒子协同电泳沉积技术，在大面积图案面板上制备了红绿双色多粒子共沉积阵列，成功实现了超过1000 PPI的高分辨的全彩显示（图3），展示了在高效高分辨率显示器中的巨大潜力。
图3：多粒子协同电泳沉积用于全彩显示
这种多粒子共沉积策略具有在加工纳米材料过程中控制粒子组装和调控粒子分布的独特优势，这在实现高性能光电器件方面具有巨大潜力。并且，这一策略可以扩展到开发具有不同功能的各种材料，包括均匀复合材料和梯度功能材料（如光学、电学、磁学梯度功能材料等）。因此，通过根据特定要求定制多粒子系统的组成，研究人员可以在光电子和生物应用等领域，开发出更多高效能的功能器件。
TCL华星李雪飞博士为本论文第一作者，赵金阳博士、陈黎暄博士和北京交通大学唐爱伟教授为本论文通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划(2022YFB3603600、2022YFB3606501)、广东省科技计划项目(2021B1212050009)和北京市自然科学基金(Z220007)的资助。
文献链接：Xuefei Li, Jinyang Zhao*, Hui Xiao, Hangchuan Zhang, Miao Zhou, Xin Zhang, Xiaolin Yan, Aiwei Tang*, Lixuan Chen*. Multiparticle Synergistic Electrophoretic Deposition Strategy for High-Efficiency and High-Resolution Displays.
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