王煜東 王憶希 科技日?qǐng)?bào)記者 謝開飛

未來(lái)的AR眼鏡有望既能實(shí)現(xiàn)高清導(dǎo)航、實(shí)時(shí)翻譯，又能無(wú)縫接入虛擬會(huì)議，重量卻和普通眼鏡相差無(wú)幾？

這一場(chǎng)景革新，源于福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院李福山教授團(tuán)隊(duì)的青年教師林立華從“模壓月餅”“蓋章作畫”中獲得啟發(fā)，基于納米轉(zhuǎn)印技術(shù)，制備出全彩超高分辨量子點(diǎn)發(fā)光二極管，像素密度最高可達(dá)25400 PPI（每英寸像素?cái)?shù)）。

此舉突破了制約該行業(yè)發(fā)展中“高分辨率”“紅綠藍(lán)全彩”“高性能”難以兼得的核心難題，讓超高清顯示的夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，將給數(shù)字世界帶來(lái)一場(chǎng)前所未有的視覺革命。同時(shí)，這項(xiàng)自主可控的原創(chuàng)底層技術(shù)，將補(bǔ)齊我國(guó)在高端顯示芯片領(lǐng)域的短板，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，為全球微納光電器件領(lǐng)域等研究提供了“中國(guó)方案”。相關(guān)成果近日發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》上。

用“納米印章”制備“完美像素”

從智能手機(jī)到頭戴設(shè)備，從車載終端到顯微儀器……隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等技術(shù)的快速發(fā)展，顯示設(shè)備正向更高分辨率、更真實(shí)色彩和更長(zhǎng)壽命方向演進(jìn)。

其中，“視網(wǎng)膜級(jí)”顯示（像素密度超過(guò)10000 PPI）被認(rèn)為是關(guān)鍵目標(biāo)。但是，當(dāng)像素尺寸縮小到微米甚至納米尺度時(shí)，傳統(tǒng)方法（光刻、噴墨打印等）難以精確制備圖案，顏色之間容易相互干擾，同時(shí)器件性能顯著下降，“高分辨率”和“高性能”幾乎無(wú)法兼得，這也是制約行業(yè)發(fā)展的核心難題。

“如果把顯示屏比作一塊‘微型畫布’，那么每一個(gè)像素就是畫布上一顆顆會(huì)發(fā)光的‘小點(diǎn)’，要想畫面足夠清晰，就必須把這些‘小點(diǎn)’排得又密又準(zhǔn)。”林立華解釋說(shuō)，當(dāng)尺寸縮小到肉眼幾乎看不見的尺度時(shí)，如何把每一個(gè)像素“放對(duì)位置”“亮得均勻”，就成了一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。

過(guò)去，科研人員常用類似“軟印章”的方式來(lái)轉(zhuǎn)印這些發(fā)光材料。但這種“軟模具”在極小尺度下容易發(fā)生形變，不僅會(huì)讓圖案邊緣變得模糊，還可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)印不完整或殘留材料，從而影響顯示效果。

為解決這一難題，福州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種全新的納米級(jí)印刷技術(shù)，即“硬質(zhì)納米壓印—整體倒置轉(zhuǎn)印”。“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把‘軟印章’升級(jí)為堅(jiān)硬且可重復(fù)使用的硅模板，相當(dāng)于用一個(gè)高精度‘模具’在納米尺度上進(jìn)行精準(zhǔn)‘蓋章’，從源頭上保證圖案不變形。”林立華說(shuō)。但是，光有“硬模具”還不夠，發(fā)光材料必須在納米級(jí)微孔中填得又密又均勻，才能保證每個(gè)像素都發(fā)光穩(wěn)定。

“為此，我們想到利用壓印和釋放過(guò)程中的微小作用力變化，讓材料在微孔中自動(dòng)‘?dāng)D緊’‘排齊’，就像把松散的顆粒壓實(shí)并整理整齊，從而實(shí)現(xiàn)致密、均勻的填充效果。”林立華解釋道，通過(guò)這套方法，研究團(tuán)隊(duì)成功把紅、綠、藍(lán)三種發(fā)光材料精準(zhǔn)放置在各自位置，在9072到25400 PPI的超高分辨率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了接近無(wú)缺陷的像素排列，大幅提升了顯示精度。

此外，研究人員還在模板和基底之間加入了一層“保護(hù)層”（PVB材料）。這層結(jié)構(gòu)在制作過(guò)程中保護(hù)微結(jié)構(gòu)不被破壞，在轉(zhuǎn)印時(shí)減少材料殘留，最終得到干凈、清晰的像素陣列，從而有效避免不同顏色之間的相互干擾，讓顯示更加純凈。

值得一提的是，這項(xiàng)技術(shù)還具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，即使在可以彎曲的柔性基底上，也能完成高精度圖案轉(zhuǎn)印，并保持穩(wěn)定的性能；同時(shí)，整個(gè)過(guò)程無(wú)需高溫和復(fù)雜光刻工藝，還可以兼容對(duì)環(huán)境敏感的“嬌貴”鈣鈦礦材料。這些特點(diǎn)都為未來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用打下了重要基礎(chǔ)。

給電場(chǎng)加上“智能調(diào)節(jié)器”

精準(zhǔn)制備“完美像素”只是第一步，如何讓這些微小像素亮得久、亮得穩(wěn)，便是福州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)面臨的第二個(gè)難題。

林立華告訴記者，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)像素縮小到亞微米尺度時(shí)，器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布會(huì)變得不均勻，尤其是在像素邊緣區(qū)域容易出現(xiàn)“電場(chǎng)集中效應(yīng)”，即局部電場(chǎng)明顯增強(qiáng)。這會(huì)導(dǎo)致電荷在邊緣區(qū)域更容易聚集，形成類似“電流擁擠”的現(xiàn)象，就像水流經(jīng)過(guò)狹窄河道時(shí)會(huì)變得更加集中。由此，不僅會(huì)增加能量損耗（如非輻射復(fù)合），還可能引發(fā)局部發(fā)熱，進(jìn)而影響器件效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這是長(zhǎng)期制約超高分辨率量子點(diǎn)發(fā)光二極管性能提升的重要原因之一。

針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的電學(xué)測(cè)試與模擬分析，提出了“二氧化鈦納米顆粒介電匹配”策略，相當(dāng)于為器件內(nèi)部電場(chǎng)加上了一個(gè)“智能調(diào)節(jié)器”。具體來(lái)說(shuō)，他們?cè)陔姾勺钃鯇又幸脒m量的二氧化鈦納米顆粒，通過(guò)調(diào)控材料的介電特性，使其與量子點(diǎn)發(fā)光層更加匹配，從而讓電場(chǎng)分布更加均勻，就像讓原本擁擠的“水流”變得順暢有序。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也印證了這一機(jī)制的有效性：在12700 PPI的超高分辨率下，紅光器件的峰值外量子效率達(dá)到26.1%，壽命更是長(zhǎng)達(dá)65190小時(shí)；綠光和藍(lán)光器件的效率也分別提升了124%和119%，全彩性能刷新了行業(yè)紀(jì)錄。

如果說(shuō)，工藝創(chuàng)新解決了“如何把像素做得更小”這一首要問(wèn)題，那么物理機(jī)制的突破，才真正解決了“像素變小的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致性能變差”這一核心難點(diǎn)。“我們建立了從‘介電匹配’到‘電場(chǎng)均勻化’再到‘性能提升’的完整、閉環(huán)的解決方案，從物理機(jī)制層面闡明了限域像素結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)分布對(duì)器件性能的決定性作用。”林立華說(shuō)。

這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了制約超高分辨量子點(diǎn)發(fā)光二極管發(fā)展的核心難題，更為所有微納光電器件提供了全新的性能優(yōu)化思路——通過(guò)調(diào)控介電特性來(lái)改善電場(chǎng)分布，這為全球相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了“中國(guó)方案”。

助力國(guó)產(chǎn)顯示關(guān)鍵技術(shù)自主可控

“這項(xiàng)兼具原創(chuàng)性與實(shí)用性的技術(shù)突破，正加快從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)前沿，為超高清顯示領(lǐng)域帶來(lái)全方位變革。”林立華說(shuō)。

在近眼顯示領(lǐng)域，25400PPI的超高分辨率將消除“紗窗效應(yīng)”，用戶佩戴設(shè)備時(shí)看到的畫面將與現(xiàn)實(shí)世界一樣清晰自然，沉浸式交互體驗(yàn)感大幅提升。同時(shí)，工藝的柔性兼容特性讓AR眼鏡得以向“普通眼鏡”的輕薄形態(tài)進(jìn)化，VR頭顯也能變得更便攜，推動(dòng)這些價(jià)格昂貴的專業(yè)設(shè)備走向大眾消費(fèi)市場(chǎng)。基于這個(gè)技術(shù)突破，未來(lái)的AR眼鏡有望既能實(shí)現(xiàn)高清導(dǎo)航、實(shí)時(shí)翻譯，又能無(wú)縫接入虛擬會(huì)議，重量卻和普通眼鏡相差無(wú)幾。

在微顯示芯片領(lǐng)域，該技術(shù)可直接與現(xiàn)有芯片電路結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)像素的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制。在安防監(jiān)控、醫(yī)療顯微鏡、車載顯示等對(duì)集成度要求極高的領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)能打造出更小、更高效、更低功耗的微顯示芯片。更重要的是，這項(xiàng)自主可控的底層技術(shù)，將補(bǔ)齊我國(guó)在高端顯示芯片領(lǐng)域的短板，打破國(guó)外技術(shù)壟斷。

除此之外，該工藝的跨材料適配性還為新型顯示技術(shù)開辟了更多可能。無(wú)論是鈣鈦礦量子點(diǎn)還是其他環(huán)境敏感材料，都能通過(guò)這套工藝實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量圖案化，為下一代顯示技術(shù)的探索提供了廣闊空間。

李福山表示，隨著工藝優(yōu)化、中試放大與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同推進(jìn)，福州大學(xué)的這項(xiàng)原創(chuàng)技術(shù)將快速落地，構(gòu)建起“材料—工藝—器件—系統(tǒng)—應(yīng)用”的完整創(chuàng)新生態(tài)，推動(dòng)我國(guó)顯示產(chǎn)業(yè)從“規(guī)模領(lǐng)先”向“技術(shù)領(lǐng)跑”轉(zhuǎn)型，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)、智能終端產(chǎn)業(yè)注入強(qiáng)勁的中國(guó)動(dòng)力。

從實(shí)驗(yàn)室里的微觀探索到未來(lái)生活的場(chǎng)景革新，福州大學(xué)團(tuán)隊(duì)用工藝與機(jī)制的雙重突破，打通了超高分辨率顯示從制造到集成的關(guān)鍵路徑，讓超高清顯示的夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。人們所接觸的數(shù)字世界，也將從“看得見”邁向“看得更真實(shí)、更沉浸”的全新階段，一場(chǎng)以新一代集成顯示為核心的視覺技術(shù)變革正在加速到來(lái)。

（以上均為福州大學(xué)供圖）