量子点（QDs）凭借尺寸可调的带隙、高光致发光量子产率（PLQY）和窄发射光谱等优异特性，已成为下一代显示技术的核心材料，QLED器件的外量子效率已突破 20％。在VR、AR等沉浸式技术的推动下，全彩高分辨率微显示成为QLED技术的重要发展方向。然而，QLED的高分辨率图案化一直面临着 “分辨率与性能不可兼得” 的困境。传统图案化技术存在诸多局限：喷墨打印易出现咖啡环效应，分辨率受限；转移印刷虽均匀性较好，但在大面积、多层器件的规模化生产中，对准精度难以保障；传统光刻技术需使用外来光刻胶、腐蚀性显影剂和剥离工艺，极易破坏量子点敏感的表面化学性质，导致发光淬灭和电荷传输性能劣化，严重影响器件最终的电致发光效果。
为解决这一难题，直接光刻技术应运而生 —— 通过赋予量子点层本身光敏性，简化图案化流程并减少对量子点的损伤。目前已有的直接光刻策略主要分为三类：将量子点混入可聚合单体或光刻胶基质，但绝缘基质会严重阻碍电荷注入，无法适用于电致发光QLED；通过配体工程将量子点表面的天然有机配体替换为光响应官能团，虽能一定程度保留导电性，但合成复杂，且可能改变量子点的表面能和堆积密度，影响薄膜形貌与稳定性；向原始量子点中添加小分子光敏交联剂，通过光化学反应在量子点天然配体间形成共价桥键，无需永久改变配体结构，是兼顾图案化与性能的最优路径。
图1. (a)直接光刻工艺示意图；(b) 单线态与三线态氮烯的电子示意图、氮烯的生成及插入反应；(c) 交联剂的合成路线
但现有交联剂技术仍存在瓶颈：叠氮基分子在紫外照射下生成的苯氮烯易发生分子内环扩张副反应，降低交联效率；交联剂与量子点的兼容性、光化学反应活性、能量能级匹配等问题，均会影响图案化质量与器件性能。在此背景下，开发一种分子设计精准、交联效率高、对量子点性能扰动小的光敏交联剂，成为突破QLED高分辨率全彩显示瓶颈的关键。近期，南方科技大学科研团队取得了一项重要突破，开发出基于氟代双叠氮交联剂的直接光刻图案化策略，相关研究成果已发表于《Photonics》期刊。
分子设计协同器件协同优化，构建非破坏性光刻体系
基于对量子点表面化学与光刻化学反应机理的深刻理解，研究人员构建了 “交联剂分子精准设计-图案化工艺优化-器件结构协同” 的完整技术方案，实现了高分辨率与高性能的统一，具体技术路径如下：
1.氟代双叠氮交联剂分子设计与机理创新
研究人员针对性设计了一种氟代双叠氮交联剂，核心创新在于通过分子工程解决传统叠氮基交联剂的副反应问题。传统苯叠氮化物生成的苯氮烯易发生环扩张反应，形成反应活性较低的脱氢氮杂卓酮，严重制约交联效率。研究人员在苯环上引入氟原子这一吸电子取代基，显著提高了环扩张路径的能量势垒，动力学上稳定了单线态苯氮烯并延长其寿命，使其更倾向于发生分子间C-H插入反应，而非有害的副反应，从而高效实现量子点天然配体间的交联。
该交联剂的分子设计满足三大关键要求：一是在光刻常用的i线（365nm）波段具有强吸收，通过扩展共轭体系实现了吸收峰的红移，增强了工业相关光刻波长下的吸收截面；二是光化学反应活性高，仅需50mJ/cm²的曝光剂量即可完成高效交联，远低于传统工业负性光刻胶150-350mJ/cm²的曝光需求，减少了紫外光对量子点的潜在损伤；三是能级匹配性优异，其能级处于量子点/传输层系统的电荷传输路径之外，不会引入明显的电荷俘获或能量转移位点，保障器件性能。
图2. (a、b) 交联剂的NMR谱图；(c、d) UV–Vis吸收光谱及其Tauc图；(e、f) 交联剂的UPS图
2.直接光刻工艺优化与全彩图案化实现
研究人员对量子点光刻胶的配方进行了系统优化，确定了交联剂与量子点的最优重量比范围为1.5％-3.0％。这一浓度窗口既能提供足够的交联密度，确保图案化的高对比度和边缘清晰度，又能保证在甲苯中的分散稳定性，实现均匀成膜和未曝光区域的彻底去除。当交联剂含量低于1.5％时，交联密度不足，图案在显影过程中易脱落或部分溶解，边缘模糊；高于3.0％ 时，则会出现交联剂自聚集导致的相分离，增加薄膜粗糙度，同时绝缘性的交联剂会阻碍电荷注入与传输，大幅降低器件效率。
直接光刻的工艺流程简洁高效：将量子点与氟代双叠氮交联剂的混合体系旋涂成膜后，经365nm i线紫外光选择性曝光，曝光区域的交联剂生成苯氮烯中间体，通过C-H插入反应在量子点天然配体间形成坚固的共价网络；随后用甲苯作为温和显影剂，去除未曝光区域，即可得到高保真的量子点图案。研究人员成功实现了红、绿、蓝三基色量子点的精准图案化，像素间距仅为2.5μm，完全满足高分辨率微显示的要求。
3.器件结构协同优化：Zn₁₋ₓMgₓO电子传输层调控电荷平衡
为进一步提升图案化器件的性能，研究人员采用Zn₁₋ₓMgₓO合金作为电子传输层（ETL）。与传统ZnO相比，Mg的掺入使Zn₁₋ₓMgₓO的导带底升高，形成更高的电子注入势垒，有效调节电子通量，改善发光层内的电荷注入平衡；同时，其较浅的 CBM 能抑制自发电子转移，减少漏电流，且氧空位和缺陷更少，可降低非辐射复合。搭配具有较浅LUMO 级的TFB空穴传输层，形成了良好的电荷传输通道，进一步弥补了图案化过程中可能产生的轻微性能损失。
图3. 量子点薄膜的高分辨率图案化及形貌表征：(a) 红色、(b) 绿色、(c) 蓝色量子点直接图案化阵列的荧光显微镜图像；(d) 全彩 RGB 像素阵列的荧光显微镜图像；(e) 图案化前、(f) 图案化后量子点薄膜的AFM高度图及对应的均方根粗糙度值；(g) 单个图案化量子点像素的AFM形貌图；(h) 从 (g) 中提取的线轮廓图
性能效果：高分辨率与高性能兼得，全彩QLED表现优异
研究人员的技术方案取得了超出预期的效果，在实现超高分辨率图案化的同时，最大限度保留了QLED的电致发光性能，全彩器件均表现出稳定的工作特性，验证了该策略的可行性与优越性。
1.图案化质量优异，薄膜形貌保持完好
直接光刻技术成功制备出红、绿、蓝三基色量子点微阵列，荧光显微镜图像显示，图案边缘锐利、形貌均匀，单个像素尺寸精准控制在24μm×24μm，像素间距仅2.5μm，实现了高保真的全彩像素阵列。原子力显微镜表征表明，图案化前后量子点薄膜的表面形貌变化极小：未图案化薄膜的均方根粗糙度为2.132nm，图案化后仅轻微增加至2.715nm，证实交联反应未引发量子点的显著聚集或去湿现象，保持了量子点的均匀堆积。单像素的AFM线扫描显示，图案边缘陡峭垂直，薄膜厚度均匀约为50nm，无咖啡环效应或宏观缺陷，为电荷传输和器件稳定性提供了结构保障。
2.器件效率高，性能保留率优异
图案化后的红色QLED器件表现出卓越的电致发光性能：外量子效率达到10.88％，电流密度为148.20mA/cm²，最大亮度为12499.93cd/m²，而未图案化的红色QLED器件EQE为12.70％，这意味着图案化过程仅导致约15％的效率损失，保留了85.67％的原始性能。红色量子点薄膜的光致发光量子产率从约88.0％降至79.8％，保留率约91％，表明效率损失不仅源于轻微的光学淬灭，还包括交联过程引入的浅陷阱态对电荷注入的轻微扰动 —— 苯氮烯对脂肪族配体C-H键的共价插入可能局部破坏配体堆积和电子环境，形成临时的电荷局域化位点，但这种影响被严格控制在可接受范围内。
图4. (a) QLED器件叠层的能级图；(b)器件结构示意图；(c)、(d)分别为未图案化与图案化红色QLED的EQE、J-V及L-V特性曲线
该策略具有良好的通用性，成功应用于绿色和蓝色QLED的图案化：绿色QLED的EQE达到8.46％，蓝色QLED的EQE为2.25％。蓝色器件效率相对较低，主要源于材料本身的特性挑战 —— 蓝色量子点的价带顶更深，与空穴传输层之间的能量势垒较大，导致空穴注入困难，电荷平衡被破坏；同时，蓝色量子点尺寸更小、带隙更大，对表面化学和加工条件更敏感，紫外曝光更易诱导表面缺陷，加剧非辐射俄歇复合，这并非图案化策略本身的局限。
3.工艺兼容性强，具备规模化应用潜力
研究人员开发的直接光刻策略具有显著的工艺优势：曝光剂量仅为50mJ/cm²，远低于传统光刻胶，既减少了量子点的光降解，又符合高通量制造要求；使用甲苯作为温和显影剂，与底层有机空穴传输层具有良好的正交性，不会破坏已制备的功能层；交联剂与量子点的混合体系在避光条件下可长期稳定存储，成膜均匀性好，适合工业化生产。此外，该策略无需针对不同颜色量子点设计专用光刻胶，大幅简化了全彩显示的制造流程，结合Zn₁₋ₓMgₓO电子传输层的协同优化，形成了一套完整的、可规模化的高分辨率QLED制备方案。