在未來的電子產(chǎn)品中，所有的設(shè)備組件將被無線連接到作為信息輸入和/或輸出端口的顯示器上。因此，消費者對下一代消費電子產(chǎn)品信息輸入/輸出功能的需求，導(dǎo)致了對柔性和可穿戴顯示器的需求將會越來越大。在眾多下一代發(fā)光顯示器設(shè)備中，量子點發(fā)光二極管(QLEDs)具有獨特的優(yōu)勢，如色域?qū)?、純度高、亮度高、電壓低、外觀極薄等。

柔性顯示器由于其在移動和可穿戴電子產(chǎn)品(如智能手機、汽車顯示器和可穿戴智能設(shè)備等)的潛在應(yīng)用前景，而受到了極大的關(guān)注。柔性顯示器具有薄、輕、不易破碎的特點，且形狀可變，能在曲面上使用。

雖然非平面顯示器已經(jīng)被推廣使用，但目前可用的商業(yè)化顯示器大多是彎曲的顯示器，其形狀是無法改變的。而下一代顯示器應(yīng)該是可以以各種形式展現(xiàn)的。

智能眼鏡和/或智能隱形眼鏡將用于支持增強現(xiàn)實，在眼鏡或鏡頭后面的自然場景中添加顯示信息;通過智能手表實時顯示，可穿戴傳感器可以測量使用者的生命體征(如血壓、脈搏、呼吸頻率和體溫)或其他健康信息;或者以紗線的形式制備的LED織入布料中，用于可穿戴顯示器;也可以電子紋身的形式將超薄顯示器附著在人體皮膚上;還可以將可彎曲顯示器作為能調(diào)節(jié)的可折疊平板電腦等。此外，透明的柔性顯示器可以用于智能窗戶或數(shù)字標(biāo)識，在背景視圖中顯示數(shù)字信息。

在這種下一代顯示器的研究領(lǐng)域中，主要的技術(shù)目標(biāo)是開發(fā)具有機械變形能力和優(yōu)異器件性能的LEDs。無機LEDs的亮度高(106~108cd m-2)和啟亮電壓低(<2V)，已被用于開發(fā)柔性LED陣列中。然而，其活性層厚(微米級)且易碎的缺點限制了它們的柔性，而點陣列設(shè)計也無法實現(xiàn)高分辨率顯。

最近，量子點發(fā)光二極管(QLEDs)因其優(yōu)異的顏色純度(FWHM為30 nm)、高亮度(高達20萬cd m 2)、低工作電壓(開啟電壓<2V)以及易加工等特點，受到了極大的關(guān)注。無機量子點(QDs)的熱穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性可以增強顯示器的壽命和耐用性。此外，最近在模式技術(shù)方面的進步使得達到超高分辨率的全色(紅色、綠色和藍色;RGB)QLED陣列，它不能用傳統(tǒng)的顯示處理技術(shù)實現(xiàn)(例如，OLEDs中的陰影掩蔽)。

QLED的結(jié)構(gòu)和原理

柔性/可穿戴式QLED的器件結(jié)構(gòu)在很大程度上采用了一般的QLED，只是略作修改，以達到更高的可變形性。QLEDs的一般結(jié)構(gòu)包括陽極、電子傳輸層(ETLs)、QD層、空穴傳輸層(HTLs)和陰極。

QLED的工作原理如下：

1、電子和空穴從電極中注入電荷傳輸層(CTLs);

2、將載流子從CTLs中注入QDs;

3、注入載流子在QDs層進行輻射復(fù)合。

QLEDs的性能和穩(wěn)定性在很大程度上取決于對CTL材料的選擇。好的CTLs應(yīng)該具有較高的載流子遷移率，并能很好地平衡電子/空穴注入。

根據(jù)所使用的CTLs類型，QLEDs的結(jié)構(gòu)可以分為四種不同類型：(i)有機/QD雙層;( ii)全有機型;(iii)全無機型(iv)有機-無機雜化型。

由于結(jié)構(gòu)i非常簡單，最早被用于QLEDs器件中。但由于沒有ETLs，且QDs和CTLs的物理分離差，導(dǎo)致電子注入很難控制，漏電流大，使得器件的最大亮度只有100 cd m-2，EQE<0.01%。為了解決這些問題，提出了結(jié)構(gòu)ii，即將QD層夾在有機HTLs和ETLs之間，形成三明治結(jié)構(gòu)。最早的結(jié)構(gòu)ii型器件的峰值EQE為0.5%，并已提高到6%。

無機CTLs(結(jié)構(gòu)iii)有很高的導(dǎo)電性和環(huán)境穩(wěn)定性(如耐氧抗?jié)?。早期是將QD層夾在p型和n型GaN之間(EQE<0.01%)。后來，出現(xiàn)了由金屬氧化物(如ZnO、SnO2、ZnS、NiO和WO3)組成的全無機CTLs的QLEDs。這些器件在長期使用和高電流密度條件下表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性，對未來的柔性顯示應(yīng)用極為有利。

然而，由于在無機層的嚴酷沉積過程中QDs的降解，整體設(shè)備性能較差。這種類型(iv)結(jié)構(gòu)(通常是有機的HTLs和無機ETLs)是為了同時利用無機和有機CTL的優(yōu)勢而開發(fā)的。盡管在最初的工作中，它們的性能并沒有顯著提高(EQE的0.2%)，但是將ZnO納米顆粒引入ETLs是一個重要的突破。即使以納米粒子的形式存在，ZnO也表現(xiàn)出了良好的電子遷移能力，在器件中引入這些納米顆粒時，底層的QD層不會發(fā)生顯著的破壞。

目前，由于ZnO納米顆粒優(yōu)異的性能，使用其作為ETLs的器件已經(jīng)成為QLED研究的標(biāo)準，包括柔性設(shè)備。這些器件的另一個重要優(yōu)點是超薄的整體層(數(shù)百納米)，這使得它們適合于柔性顯示器。例如，最近的一項研究表明，這種高度可變形的可穿戴式發(fā)光二極管的總厚度小于3μm，包括設(shè)備部件和雙層封裝層。

全彩色顯示器的QDs圖形技術(shù)

為實現(xiàn)高分辨率的全彩色顯示器(包括柔性顯示器)，人們做出了巨大的努力。最大的難點在于可穿戴式和/或便攜式電子設(shè)備，與柔性顯示器相結(jié)合，需要高分辨率和全色形式，在有限的空間內(nèi)呈現(xiàn)生動的視覺信息。

隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，電視的分辨率達到了超高的清晰度(UHD，3840×2160)，智能手機的高度為每英寸800像素(ppi)。例如，XperiaXZ Premium(Sony)的像素分辨率為807 ppi。為了顯示自然、清晰的圖像，就需要更高分辨率顯示器，因為使用更細的像素分辨率的顯示器可以表達更生動的圖像。如果出現(xiàn)頭掛式顯示器或虛擬現(xiàn)實顯示器，可以應(yīng)用柔性顯示器，則需要實現(xiàn)更高分辨率的顯示器，通過放大原始的二維圖像來投射三維的突觸圖像。

目前，有兩種主要的方法可以將不同顏色的QDs和高分辨率的彩色QDs通過轉(zhuǎn)印或噴墨打印集成到顯示面板上。

由于合成的膠體QDs分散在溶液中，所以在早期的QLED研究中，通常使用旋涂方式制備薄膜，形成單色發(fā)光器件。后來，人們使用彈性體會結(jié)構(gòu)(如聚二甲基硅氧烷，PDMS)印章來制備像素化的QD圖案。

2008年，帶有線條和空間的QLED通過直接旋涂QDs溶液到一個有結(jié)構(gòu)的印章上。隨后SAIT的研究人員開發(fā)了一種動態(tài)控制的轉(zhuǎn)印技術(shù)，過程如下：將旋涂得到的QD薄膜快速從自組裝的單層處理過的基板上取出，放到所需的基底上。由于在印章上施加壓力，相比之下，轉(zhuǎn)印后的QD層空缺和裂縫都減少。此堆積良好的QD層可以使器件的漏電流降低、電荷輸運提高。使用這種轉(zhuǎn)印方法，成功制得像素為320×240的4英寸大的全彩色柔性顯示屏。

多色QLEDs的圖案技術(shù)

除了轉(zhuǎn)印技術(shù)外，噴墨打印技術(shù)也引起了人們的廣泛關(guān)注，因為它可以打印所需的圖案，不需要光護金屬掩膜板。然而，傳統(tǒng)的噴墨打印方法不適合制備精細圖案的QD薄膜。因為提高噴墨穩(wěn)定性，往往需要加入添加劑來提高QDs的分散性。而加入的添加劑會影響QDs薄膜中的電荷有效傳輸，從而降低OLED的電學(xué)性能。為了解決這一問題，研究人員使用電動力噴墨打印技術(shù)，可以制備~5μm精細的QD圖案。該技術(shù)使用電場將QD墨水以窄幅的寬度噴出，由此產(chǎn)生的QD圖案顯示出均勻的線厚度。使用這個印刷方法，紅色和綠色的QD像素分辨率可達到商業(yè)顯示要求。

柔性白光QLEDs

白色發(fā)光二極管(WLED)被廣泛應(yīng)用于大面積照明設(shè)備和/或顯示面板的背光光源。正在使用的無機WLED陣列是點發(fā)射，而不是面發(fā)射，導(dǎo)致區(qū)域的不均勻性。有機WLED被認為是一個不錯的選擇，但存在壽命和成本的問題。因此，膠體QDs因其量子效量高、發(fā)射光譜大小可調(diào)、發(fā)射帶寬窄和光/熱穩(wěn)定等特性，被用作WLED的發(fā)光組件。

對于采用紅色CdSe/CdS/ZnS/CdSZnS)、綠色(CdSe/ZnS/CdSZnS)與藍色無機LED結(jié)合形成的WLED背光源，和液晶顯示器組成的46英寸的電視面板。然而，這種顏色轉(zhuǎn)換的WLED量子效率低，因為小帶隙的QDs、內(nèi)部光散射、光漂白和不平電荷載流子重新吸收了高能光子。另外，傳統(tǒng)光源的發(fā)射光譜寬，導(dǎo)致發(fā)光效率和顏色呈現(xiàn)指數(shù)(CRI)低。

為了提高WLED的CRI和發(fā)光效率，場致發(fā)光的白色QLED使用不同顏色的QDs混合而成的。一種使用單層隨機混合QDs的白色EL器件，通過控制RGB QDs的混合比，可以很容易地調(diào)節(jié)EL頻譜，而白色QLED顯示改進的EQE和CRI分別為0.36%和81%。人類的眼睛可以很容易地感知到波長在440~ 650nm之間的光，因此，在這個范圍內(nèi)調(diào)優(yōu)發(fā)射光譜可以提高CRI值。Bae等人控制白色QLEDs的發(fā)射光譜,通過精確調(diào)整不同顏色的量子點的混合比。因此，窄帶寬的QD發(fā)射器(< 30 nm)單色QD的顏色純度排放增加,但也會使寬光譜發(fā)射光譜的不同顏色之間的差距,降低國際wLED的價值。

為了解決這個問題，排放峰值的數(shù)量可以增加。這就導(dǎo)致了更完全的可見光譜和更高的CRI值。CRI的價值從14個增加到93個，因為混合QDs的類型從兩個(藍色和黃色的QD)增加到4個(藍色，青色，黃色和紅色)。白色QLEDs基于量子點隨機混合有優(yōu)勢，比如容易處理和降低成本,但inter-particle不同顏色的量子點之間的能量傳遞誘發(fā)電流效率低，可憐的EQE，和紅移EL。因此,混合比和混合結(jié)構(gòu)量子點的不同應(yīng)該精確優(yōu)化獲得平衡的白色EL。

為了提高EL效率，SAIT采用了“選擇-放置-轉(zhuǎn)印技術(shù)”，層層堆積QD層。通過調(diào)整RGB QD層的堆積序列，能有效抑制非輻射能量轉(zhuǎn)移(如G→B)，從而實現(xiàn)真正的白色EL。但是，垂直方向上堆積的QD不可避免地存在粒子間的能量轉(zhuǎn)移(如G→R或B→R)。這是因為因為不同顏色的QD在電荷注入方向堆疊。而且隨著外加電壓的增加，QD的帶隙會增大，使得EL譜會發(fā)生藍移。

最近，科研人員使用凹版轉(zhuǎn)移印花方法，獲得了高分辨率的RGB像素陣列(> 2400 ppi)。在相同波長(440納米)激發(fā)下，像素化QD層和藍色QD層的載流子壽命是相似的。但是，由于混合QD層中QDs之間會發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，使得RGB混合層的載流子壽命要短得多。這個結(jié)果表明，像素化的RGB WQLED比使用混合QDs的WQLED更有效。如果晶體管能夠單獨控制RGB QD像素的EL，那么像素化的QLED在不同亮度下會表現(xiàn)出更高的性能。

柔性透明QLEDs

制造適合于窗戶、眼鏡和透明家居用品的透明顯示器，可以顯著增加顯示應(yīng)用的范圍，允許將視覺信息投射到背景上，而不會影響其原有的外觀和背景視圖。柔性透明顯示器可以支持新穎的曲面顯示應(yīng)用，如智能汽車窗口、可穿戴智能手表和公共標(biāo)牌顯示。

然而，到目前為止，柔性透明顯示器的性能明顯低于不透明的顯示器，這主要是受透明電極的限制。電極需要高導(dǎo)電性，高透明度，以及適當(dāng)?shù)哪芰克?，以便同時進行有效的充電。表2總結(jié)了之前報告的透明QLED的光學(xué)和電氣性能，包括透明度、電流效率和設(shè)備壽命。為了在透明發(fā)光二極管中獲得柔性，薄金屬薄膜(例如，Au、Ag、Ca/Ag和Al)被用作半透明的電極。降低金屬薄膜的厚度，從100nm到小于10納米，保持了最初的光發(fā)射波長。

然而，不幸的是，這種金屬薄膜犧牲了器件的透明度，尤其是在低電阻電極上。事實上，半透明的QLED的透明度小于60%，而且隨著視角的增加，它會變得更低。目前，石墨烯對于下一代透明電極來說是一種很有吸引力的材料，因為它的厚度非常薄，透明度高，而且電阻率低。

完全透明的QLED，使用非納米粒子(NP)-摻雜石墨烯和Ag納米線(NWs)-裝飾石墨烯作為陽極和陰極。在保持高透明度和低面電阻的同時，將Au NPs和AgNWs的連接轉(zhuǎn)化為石墨烯層，有效地調(diào)節(jié)電極的能量水平。為了防止底層排放層的污染，科研人員用干式印刷法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鏟挖工藝，形成了工程石墨烯電極。然而，由于高接觸電阻，被轉(zhuǎn)移的石墨烯層表現(xiàn)出較高的面電阻，從而降低了QLEDs的EL性能，包括高電壓和低亮度。

AgNWs也被用于透明電極。在保持高透明度的同時，由于其高度的多孔結(jié)構(gòu)，超細AgNWs的滲透式裝配提供了低電阻(<10 Ωsq?1)。由于Ag NWs很容易通過旋涂或刀涂的方式沉積在目標(biāo)表面，基于Ag NWs的QLED可以同時兼具低成本和柔性的優(yōu)勢。如有人使用AgNWs作為QLED的透明電極，獲得器件亮度高(~25000 cd m2)、透明度高(70%)。盡管石墨烯和Ag NWs已經(jīng)有很大的進展，但它們的器件性能還需要進一步改進。

透明導(dǎo)電氧化物(TCOs)在過去的幾十年里一直是使用最廣泛的透明電極。然而，由于在嚴酷的沉積過程中(如濺射)對底層發(fā)射物質(zhì)的機械和/或化學(xué)損害，制造基于TCOs的透明頂電極仍然具有挑戰(zhàn)性。通過預(yù)沉淀厚無機緩沖層和頂部TCO電極連續(xù)濺射過程，以防止對QD層的損害，并形成CTLs之間不需要的傳導(dǎo)路徑

與不透明的發(fā)光裝置相比，透明的發(fā)光裝置仍然顯示出較低的EL特性，原因是設(shè)備內(nèi)的電荷載體不平衡。此外，厚厚的ETL和/或無機緩沖層增加了硬度，從而降低了QLEDs的柔性。

可穿戴的量子點顯示

柔性QLED最具前景的應(yīng)用之一是可穿戴顯示器。皮膚安裝的電子產(chǎn)品為先進的可穿戴診斷/治療解決方案提供了新的途徑。這些顯示器可以實時顯示可穿戴傳感器的監(jiān)控數(shù)據(jù)然而，可穿戴顯示器仍然面臨著重大挑戰(zhàn)，如傳統(tǒng)柔性顯示器的厚度和剛度。與有機發(fā)光二極管相比，QLEDs的高水/空氣穩(wěn)定性可以使封裝層更薄，從而大大提高了設(shè)備的靈活性。

柔性的QLED通常是基于在柔性寵物襯底上的ITO電極制造的，其厚度在幾百微米的范圍內(nèi)。由于厚底物和易碎的ITO電極，顯示器的最小彎曲半徑限制在幾十毫米以內(nèi)。Demir組報道了像貼紙一樣的頂部發(fā)光的QLED，它是以熱/溶劑穩(wěn)定性的聚酰亞胺(PI)薄膜為基底，Ag薄膜(18nm)作為半透明電極。薄膜型QLED可在各種物體的曲面上很容易變形和疊層。

對于可穿戴顯示器來說，建立一個生物兼容的超薄封裝層是至關(guān)重要的。在電子紋身的顯示器中使用了環(huán)氧樹脂雙層超薄發(fā)光二極管。生物相容性的parylene-C薄膜，它與皮膚有良好的界面，可以防止它出現(xiàn)皮疹或瘙癢。超薄環(huán)氧樹脂層還能防止在底層ITO電極濺射過程中對二烯薄膜造成任何損壞。雙層封裝的厚度是1.2μm，而QLED的總厚度為2.6μm。當(dāng)脆弱的ITO電極位于中性機械平面附近時，拉伸和壓縮應(yīng)可以得到補償，超薄的QLED則可以在沒有機械損傷的情況下自由變形，即使是在柔軟的人皮上也能達到相同效果。

在具有曲率半徑的波狀變形狀態(tài)下，適用于柔性QLED的峰值應(yīng)變小于ITO電極的斷裂應(yīng)變(2.2%)，這使得高度可變形的柔性QLED。此外，超薄封裝層使設(shè)備防水，有效地保護了高濕度條件下的可穿戴設(shè)備。通過應(yīng)用一個被動矩陣陣列設(shè)計，可穿戴的QLED可以在滾動和揉皺的物體上顯示不同信息。

與其他電子設(shè)備集成的QLED

與其他電子元件集成的柔性QLED，如傳感器、記憶、控制器和藍牙設(shè)備，是如何用于下一代便攜式和/或可穿戴式電子/光電系統(tǒng)的。

一個基于柔性QLED的應(yīng)用是一種智能的壓力敏感顯示器，它可以實時測量、存儲和顯示外部的機械變形。

集成了基于MoS2的電阻隨機存取存儲器(ReRAM)設(shè)備和帶QLED陣列的壓力傳感器，測量數(shù)據(jù)首先存儲在二硫化鉬ReRAM數(shù)組，之后書面數(shù)據(jù)可以直觀地通過QLED陣列顯示?？纱┐鱍LEDs可以集成到一個多路復(fù)用透明觸摸傳感器陣列作為輸入端口的用戶意圖。超薄QLED也可以與透明的力觸覺傳感器集成。軟集成的電子系統(tǒng)可以通過范德華力單獨壓在人的皮膚上，即使在畸形狀態(tài)下也能穩(wěn)定運行。這些系統(tǒng)級集成的例子證實了可穿戴式顯示器集成的新型可穿戴電子系統(tǒng)的可行性。

可穿戴QLED是另一個靈活的QLED的應(yīng)用例子，可以作為可穿戴基于光的生物傳感器的光源。

在2017年，Kim等人研發(fā)可穿戴光體(PPG)傳感器，這些傳感器結(jié)合了可伸縮的QLED和QD光電探測器?；谑┑耐该麟姌O，為基于QDa的發(fā)光二極管和PDs提供了極端的可彎曲性。QLED被轉(zhuǎn)移到一個預(yù)先拉伸的彈性體上，形成一個彎曲的結(jié)構(gòu)，并顯示出70%的可拉伸性。對于PPG傳感器，可伸縮的QLED和PDs分別安裝在指尖和側(cè)面，分別作為光源和檢測器進行。

吸收光譜的變化與脈沖的相關(guān)性很好?？纱┐鞯腜PG傳感器還能準確測量壓力的細微變化。這種由基于QLED和PDs組成的光電設(shè)備可以用于各種可穿戴傳感器應(yīng)用，如人類運動檢測和/或心率測量。

在完全集成的可穿戴電子設(shè)備中，QLEDs的另一個應(yīng)用例子是一個靈活的印刷電路板(FPCB)，它集成了QLED顯示屏、觸摸傳感器、微控制器模塊、無線單元、其他物理傳感器和電源(圖8 h-j)。觸摸傳感器與一個QLED顯示屏共同嵌入，同時保持超薄的外形(5.5μm)。觸摸界面通過改變QLED顯示中的傳感模式，提供了一個交互式用戶界面。8×8大小的超薄QLED被動矩陣陣列貼在人的手臂上，可以實時顯示由可穿戴傳感器測量出的溫度和步數(shù)信息。這種完全集成的可穿戴QLED顯示屏可以為先進的可穿戴醫(yī)療電子系統(tǒng)提供新的可能。

總的來說，人們在QD合成方法以及器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面做出了巨大的努力，來提高QLED的性能。盡管目前還面臨著器件壽命、藍光效率低、Cd基量子點毒性等挑戰(zhàn)，QLED還是表現(xiàn)出超越其他LED的優(yōu)異特性，如高純度、高亮度和低電壓、高分辨率RGB陣列模式和超薄外形等。這些優(yōu)點使得QLED成為下一代顯示應(yīng)用的前景，特別是在柔性/可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域。隨著QD加工技術(shù)、封裝技術(shù)、新型器件/系統(tǒng)設(shè)計的不斷改進與提高，QLED可以被用于更先進的器件/設(shè)備上，如柔性白光QLED和高度透明的柔性QLEDs。新興QLED的每一項關(guān)鍵技術(shù)都為新電子和光電技術(shù)提供了許多機會。這些QLED可以與各種可穿戴電子設(shè)備成功集成，包括可穿戴傳感器、數(shù)據(jù)存儲模塊、觸控界面和靈活的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。未來，其他家庭應(yīng)用和移動電子設(shè)備將通過無線連接，可穿戴顯示器將為用戶提供信息。這些技術(shù)進步為柔性QLED和相關(guān)下一代顯示器的前景提供了光明的前景。

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