TCL华星与南科大Nano Energy：“纳米电车”实现纳米材料高精度图案化加工

现在广泛应用的加工方法，如光刻、喷墨印刷、转移印刷等，会(重复)引入UV辐射、加热、溶剂冲洗等加工过程，导致纳米晶性能的恶化。这是一个不能仅仅通过表面钝化(配体保护或包覆等)来解决的问题，还需要考虑其在溶剂中的溶解度，及对于特定加工方法的适用性等问题。体系中一个部分的微小变动可能就会影响整个体系配方。因此开发一种不需要修改纳米晶的策略是较优的解决方案。

近日，TCL华星光电赵金阳博士、陈黎暄博士研发团队与南方科技大学孙小卫教授团队合作开发了一种基于选择性电沉积技术的通用载体材料，实现了大于1000 PPI，高效率全彩大面积量子点（QDs）色转换层的制备。

相关成果以“‘Nanoscale electric vehicle’ for the patterning of nanomaterials:Selective electrophoretic deposition of programmable silica composite nanoparticles”为题，发表在国际著名期刊《Nano Energy》上。

该成果将纳米晶与特制的载体（carrier）组合可以确保纳米晶的无损加工。在该工作中，双配体（锚定配体anchoring ligand和带电配体charging ligand）修饰的载体作为加工平台，其中带电配体赋予载体材料带电量及提升其在溶液中的分散性，锚定配体将纳米晶绑定到载体材料表面；选择性电泳沉积（SEPD, Nature Communications 2021,12,4603）提供电场力驱动载体材料运动及作为载体材料图案化加工方法。通过合理设计载体的表面得到了可电场驱动的纳米级载具，故称之为纳米电车（Nanoscale electric vehicle, NEV），如图1所示。

通过优化两种功能配体的比例，纳米电车不仅具有良好的分散性和适当的电荷量以便于电驱动运动和沉积，还能够负载适当量的纳米晶获得高性能的纳米晶薄膜材料。在电场作用下，带电的NEV可以携带纳米晶，并通过SEPD精确地运动到相应的图案化的电极，从而获得轮廓清晰且高度精确的图形。

首先，双配体NEV上负载了高性能的CdSe/ZnS量子点（QD），并且与NEV复合前后QD的性能均未下降。反而由于NEV的分散效应导致量子点的自吸收和Förster共振能量转移减少，荧光性能显著增强。与原始QD膜相比，相同厚度的红发光膜的亮度转换效率(LCE)提高了3.2倍达到了约231%，正视角下的光致发光量子效率(PLQE)提高到了45.5%。绿色发光膜在正视角下，LCE增加了2倍，达到528%，PLQE为39.8%。获得了分辨率超过1000 PPI的3英寸QD色转换层（图2），与目前商业QD膜等效。

此外，该团队根据不同的应用和纳米晶的性质，通过设计不同的NEV的表面，获得了各种材料在不同应用中的精细图案，包括多种纳米晶的同时吸附和纳米晶在NEV表面的非对称吸附用于定向沉积（图3）。

一些难以用SEPD加工的材料也通过NEV负载实现了其图案化。例如，NEV负载上转换纳米材料可良好沉积，获得多种图案，在防伪加密领域具有一定的应用前景。当不稳定钙钛矿纳米晶与定制的NEVs复合时，表现出更好的稳定性和发光效率，并且可以在极性溶剂中与SEPD形成高分辨率的像素阵列，有望用于显示应用。

这些工作证明了NEV的通用性和可能性，为纳米晶的无损加工提供了一种通用的方法和工具。此外，通过设计不同的二维和三维结构的电极，NEV技术可以通过SEPD获得平面或三维的纳米晶集成结构。因此，SEPD和NEV的结合是一种有利的加工策略，可以对纳米晶进行大面积、高精度和高利用率的处理和加工。

这一研究不仅促进了纳米材料表面物理化学状态的深入探究，更为纳米材料的加工和应用开辟了新道路，为AV/VR显示等高精度光电器件的开发提供了新方法，同时在元宇宙等前沿工程应用领域展现出巨大的应用潜力和价值。

图3. NEV各领域的应用潜力。具有单个或多个官能团的NEV将各类纳米晶体吸附在定制NEV上后，通过SEPD形成图案阵列，可应用于显示、防伪、催化、生物工程等领域

TCL华星光电技术有限公司肖慧博士为本论文第一作者，赵金阳博士，陈黎暄博士以及南科大孙小卫教授为该论文通讯作者。

文献链接：

"Nanoscale electric vehicle" for the patterning of nanomaterials: Selective electrophoretic deposition of programmable silica composite nanoparticles。https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109906。