胶体纳米量子点（QD）由于其出色的光学、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众多领域展现出巨大的潜力。相较于单一粒子体系，由两种或多种不同材料构成的多粒子系统，凭借其各个组分的独特优势或综合结构产生的新功能，呈现出更为丰富多样的性能和功能。但将多粒子精准控制组装成图案化的固态设备，至今仍是一个亟待攻克的难题。
电泳沉积（EPD）技术凭借电场将带电粒子在基板上沉积成膜，适用于各类材料和任意形状的基板，具有设备简便、操作灵活、成本低廉且适应性强的特点，具备控制多种粒子规律组装的内在潜力。
鉴于此，近日，TCL华星的赵金阳博士、陈黎暄博士研究团队联合北京交通大学的唐爱伟教授提出了一种多粒子协同电泳沉积策略，成功实现了可控组装、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》。
研究人员选取二氧化硅（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，旨在解决单一组分QD膜中因共振能量转移（FRET）导致的发光效率降低问题。通过精细的表面设计，研究人员利用EPD技术达成了QD、SiO2和TiO2纳米粒子的精确共沉积，提升了QD薄膜的发光效率
（图1）。研究表明，通过调整带电粒子的迁移率，能够调控粒子的运动速度，进而控制多粒子在同一悬浮液中的沉积顺序。本文针对QD和不同配体含量的SiO2粒子的协同沉积展开研究，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，粒子的梯度分布能够获取光学梯度结构，而均匀分布的共沉积膜则能够实现QD光致发光性能的显著增强。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。实验结果显示，与单一量子点相比，多粒子协同系统大幅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)分别提升了2.3倍和3.1倍，达到了46.0%和43.8%。
研究人员运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的高分辨全彩显示（图3），展现出在高效高分辨率显示器领域的巨大潜力。
这种多粒子共沉积策略在加工纳米材料时，具备控制粒子组装和调控粒子分布的独特优势，在实现高性能光电器件方面潜力巨大。并且，这一策略能够拓展至开发具备不同功能的各类材料，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，依据特定需求定制多粒子系统的组成，研究人员能够在光电子和生物应用等领域，研发出更多高效能的功能器件。
TCL华星的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的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。
TCL华星团队的这一研究成果为纳米粒子的组装和应用开辟了新的道路，有望在未来推动高性能光电器件的发展，为相关领域带来更多创新和突破。相信在科研人员的不断努力下，这一技术将不断完善和拓展，为科技进步和人类生活带来更多福祉。