两所“双一流”高校合作，四年四篇Nature！

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编辑丨风云

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研究背景

钙钛矿量子点（PeQDs）因其极高的荧光量子产率和色纯度，被视为下一代超高清显示器的核心材料。量子点超晶格相比于无序薄膜，展现出如能带状电荷传输和增强的电子耦合等独特光电性质。

关键问题

目前，PeQD显示技术的研究主要存在以下问题：

1、像素化超晶格集成策略缺失

虽然超晶格块体研究已有二十余年，但如何在纳米级厚度的器件中实现微米级的长程相干性与精确的空间图案化登记，仍缺乏有效的可扩展制造方案。

2、传统成膜工艺导致结构受损

旋涂等快速成膜方法会限制量子点的自组装过程，导致显著的能量无序。此外，像素化图案化过程中的溶剂接触或热处理常加剧点间异质性和离子迁移，损害器件的亮度与稳定性。

新思路

有鉴于此，上海大学杨绪勇、吉林大学吴雨辰、韩国首尔大学Tae-Woo Lee等人报告了一种可扩展的策略，用于制造具有面内长程有序、垂直约束和精确空间图案的像素化钙钛矿量子点（PeQD）超晶格薄膜阵列。通过工程化具有稳定表面末端的菱形十二面体CsPbBr₃纳米晶体，利用配体-氟化物共稳定方法，作者使用毛细管液桥受限组装引导形成了六方密堆积超晶格薄膜。这些超晶格薄膜表现出降低的能量无序和增强的电子耦合。当集成到发光二极管（LED）中时，电驱动的PeQD超晶格产生30.9%的外量子效率、117,144 cd m⁻²的高亮度和高达5,080像素/英寸的像素密度。在100 cd m^-2下，器件的外推运行半衰期（T₅₀）为12,411小时，比之前报道的像素化PeQD LED长1,000倍以上。此外，作者证明了将图案化超晶格直接集成到商业薄膜晶体管背板上，以构建具有全灰度控制和视频播放能力的1.85英寸有源矩阵显示器。这些结果确立了胶体QD超晶格作为下一代高分辨率、稳定且高效的钙钛矿显示的可靠材料平台。

技术方案：

1、开发了一种“配体-氟化物共稳定”策略

作者开发"配体-氟化物共稳定"策略，BHOA配体结合能增强，量子点高浓度单分散，毛细管液桥受限组装形成微米级有序超晶格薄膜阵列。

2、验证了薄膜的结构有序度

作者通过GIWAXS和GISAXS验证薄膜三维周期性排布，瞬态吸收显示线宽缩小、峰位偏移极小，188 K以下展现能带状传输特性，电导率提升2.2倍。

3、构建了高性能的像素化LED

作者构建了高性能像素化LED，分辨率覆盖1154-5080 PPI，峰值EQE达30.9%，亮度超117144 cd m^-2，T₅₀寿命12411小时，亮度均匀度极高，无光学串扰。

4、验证了有源背板集成与多色化应用潜力

作者将策略应用于商用TFT背板，展示1.85英寸有源矩阵显示屏，超15万像素，实现灰度渲染和视频播放，成功制备蓝红光超晶格像素阵列，覆盖全彩色域，为Micro-LED开辟了新路径。

技术优势：

1、首次提出了配体-氟化物共稳定的自组装体系

通过开发强结合力的BHOA配体并结合表面氟化重构，制备出具有高度几何对称性的菱形十二面体纳米晶，克服了传统配体易脱落导致的组装失效问题。

2、实现了破纪录的像素化LED性能与稳定性

研究利用毛细管液桥技术实现了高达5080 PPI的超高分辨率阵列，其EQE（30.9%）和稳定性（T₅₀超过1.2万小时）均代表了目前像素化钙钛矿LED的最高水平。

技术细节

钙钛矿量子点末端控制与受限组装

实现长程有序超晶格的前提是量子点具备极高的形貌对称性和胶体稳定性。研究团队开发了一种“配体-氟化物共稳定”策略，利用新型叔铵配体BHOA取代传统的油酸/油胺体系。DFT计算显示，BHOA在(200)晶面的结合能高达-3.10 eV，而通过TBAF进行表面氟化重构后，结合能进一步增强至-3.59 eV。这种强健的表面钝化使菱形十二面体CsPbBr₃量子点在极高浓度下仍能保持单分散性，并在缓慢蒸发过程中依靠几何对称性引导形成六方密堆积（hcp）结构。为了将这种组装限制在特定区域，研究者采用了毛细管液桥受限组装技术，利用具有非对称润湿性的微柱模板（顶部亲油、侧壁疏油）在模板与基底间形成离散的液桥。随着溶剂受控蒸发，量子点在微米级的液桥内自发结晶，最终形成了厚度仅约25 nm（约双层量子点厚度）、面内相干尺度达微米级的有序超晶格薄膜阵列。这种方法不仅消除了旋涂法带来的结构随机性，还为像素化集成提供了物理基础。

图  CsPbBr₃量子点超晶格薄膜的终止控制和受限组装

超晶格薄膜的结构相干性与物理特性

研究通过多种先进散射技术验证了薄膜的结构有序度。GIWAXS和GISAXS图谱显示出清晰、尖锐的三维布拉格衍射斑点，证实了薄膜在三个维度上均具有高度的周期性排布，且中心间距与理论模型高度吻合。这种长程相干性显著优化了薄膜的能级景观：瞬态吸收（TA）测量表明，超晶格薄膜的漂白峰线宽从无序薄膜的93.6 meV显著缩小至70.1 meV，反映了由排布无序引起的能量杂乱得到了有效抑制。更重要的是，TA动力学中的峰位偏移极小（8.9 meV），说明光生载流子在辐射复合前极少被捕获到带尾态中，验证了其平坦的能级分布。在电荷传输方面，变温载流子迁移率测试揭示了一个关键的物理转折点：在188 K以下，超晶格薄膜展现出载流子迁移率随温度降低而增加的特性（dμ/dT<0），这是量子点固体中能带状传输（band-like transport）的明确标志。这种相干耦合不仅提升了薄膜的电导率（比对照组高2.2倍），还通过改善界面电荷注入效率（表面势能从1.29 V提升至1.66 V），为构建高效LED提供了理想的活性层。

图  PeQD超晶格薄膜的结构和光电性质

像素化LED器件的电致发光表现

基于超晶格优异的光电特性，研究团队构建了高性能的像素化LED。利用光刻定义的微柱模板，成功实现了3 μm至20 μm不等的像素尺寸，对应分辨率覆盖1,154 PPI至5,080 PPI，远超AR/VR显示对3,000 PPI的需求。在性能方面，超晶格器件展现出显著降低的开启电压（2.2 V）和极高的电流注入效率。最优器件的峰值外量子效率（EQE）达到了30.9%，最大亮度超过117,144 cd m^-2，这也是目前报道的像素化钙钛矿LED中的最高值。此外，由于超晶格架构减少了界面重合损失并降低了驱动偏压，器件在长期运行稳定性上实现了跨越式突破：在100 cd m^-2初始亮度下，外推T₅₀寿命高达12,411小时，相较于之前同类像素化量子点LED提升了1,000倍以上。高频电致发光图像扫描显示，各像素间亮度均匀度极高（变异系数< 1.2%），且像素边缘分界线异常锐利，几乎没有光学串扰，充分证明了毛细管液桥受限组装在大规模制造中的工艺可靠性。

图  像素化PeQD超晶格LED的电致发光性能

有源背板集成与多色化应用潜力

为进一步验证商业化潜力，研究团队将该策略直接应用于商用薄膜晶体管（TFT）背板集成。通过将量子点直接图案化在低温多晶硅（LTPS）基板上，成功展示了一个1.85英寸的有源矩阵（AM）显示屏。该显示面板包含超过15万个像素（300 PPI），能够实现精准的灰度渲染和实时的视频播放（如摆动的树木和绽放的花朵），画面流畅且对比度高。此外，该组装策略具有极强的成分通用性，研究团队成功制备了发射蓝光的CsPb(Cl/Br)₃和发射红光的CsPb(I/Br)₃超晶格像素阵列，实现了对全彩色域的覆盖。这一突破不仅解决了超晶格材料在薄膜器件集成中的长期冲突，还通过提供一致的高效和长寿命，为开发下一代微型显示技术（Micro-LED）开辟了全新的路径。这种从底层材料创新到顶层面板展示的全闭环研究，深刻定义了钙钛矿量子点在未来高分辨率、节能型持久显示领域的核心地位。

图  用于有源矩阵显示面板的像素化PeQD超晶格LED

展望

本研究通过精确控制量子点形貌与表面化学，构建了一种高重复性的像素化超晶格薄膜阵列制造框架，成功攻克了超晶格有序性与光电器件集成不兼容的难题。该工作不仅将像素化钙钛矿LED的效率提升至30.9%的新高度，更将其运行寿命延长至上万小时，为超高清、高效率微显示技术的商业化落地提供了坚实的理论支撑与技术方案。

参考文献：

Zhang, C., Zeng, Q., Li, H. et al. Pixelated quantum-dot superlattice LEDs. Nature (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10392-z