液晶与显示 | 基于液晶调制光偏振的荧光量子点显示模式

显示器作为日常生活中常用的设备，是电子信息的主要输出设备，其技术应用具有十分重要的地位。而传统的显示器由于滤色器的存在，有较大的功耗，且能量利用率不高。若将量子点应用于显示器技术中，其精确的窄光谱带宽、高的发光效率和波长可调的优良光学特性为显示器技术的发展带来了一种全新的模式。

近期，华东理工大学郑致刚教授团队汪思涵和王骁乾等以“基于液晶调制光偏振的荧光量子点显示模式”为题，在《液晶与显示》（ESCI、Scopus、中文核心期刊）2023年第1期发表文章。

文章提出了一种利用液晶调制紫外光偏振态以实现对受到局域表面等离子体共振影响的荧光量子点光强调制的方法，并以此提出了一种具有较高的能量利用率和较大的色域的显示模式，具有很强的应用潜力。

▍研究背景

量子点（QDs）是半导体的一种，它的激发性电子被限制在三维空间中，发出光的波长取决于量子点的大小，通常在2 nm到10 nm之间。目前，量子点以其精确的窄光谱带宽、高的发光效率和波长可调的优良光学特性受到越来越多的关注。

液晶显示器(LCD)中由于滤色器的存在，有较大的功耗，且能量利用率不高。针对这种情况，有很多著名的公司在开发QLED显示器，包括LG、三星、QD vision (MIT)、Nanosys等。QLED的结构与OLED非常相似，其亚像素中却没有滤色器的存在。如果需要红色，只需给红色量子点供电并刺激它。QLED市场价值在2012年大约有1.5亿美元，2019年达到几十亿美元，目前仍存在很大的上升空间。

量子点除这类电激发材料(QLED)，也可以作为一种光致发光材料。当光源提供的光子能量大于带隙能量，量子点将会受到激发。入射光激发的偏振可以用半导体布洛赫方程表征。一旦光子被吸收，在导带和价带中会分别形成具有有限动量K的电子和空穴。然后，激发产生能量和动量弛豫直至带隙最小。其中典型的机制是库仑散射和声子相互作用。最后，电子将在光子发射的作用下与空穴重新结合。通过基于液晶结构的偏振调制器，可以控制量子点的光激发。

▍量子点显示研究原理

如图1所示，特定尺寸的半导体量子点（CdSe）可以被不可见的紫外光（UV）（340 nm）激发并发出蓝光（420 nm）。UV光的光强I与电场强度的平方|E|²成正比。因此，越强的电场将有助于产生更多的激发光子。

图1：量子点和光激发
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):32-39.

为了在特定位置增强入射光的光场强度，我们采用了LSPR技术。当具有一定偏振的入射光照射在具有尖锐尖端(例如角、顶点、边缘)的金属纳米结构上时，光分布将很大程度上受到局域表面等离子体共振的影响，并且在与尖端接近的区域内可能出现极强的光强。

对于单个像素，紫外入射光通过一个电控液晶结构来实现对出射光偏振态的调制。例如，一种可以调制线偏振入射光的偏振面的电控液晶结构如图2所示，对该结构中间的液晶层施加电压，相位延迟量会随电压变化，在经过后面那层1/4波片之后，偏振面也会随电压改变。值得注意的是，中间液晶层所需的取向层可以是单一方向的摩擦取向层，也可以是稳定化的光取向层，以防止紫外线对取向层的破坏。

图2：电控旋转偏振面的液晶结构图
图源：液晶与显示, 2023, 38(1): 32-39.

通过调制，可以得到偏转角与电压有关的线偏转出射光，实现通过液晶结构电控入射光的偏振态。对于像素阵列的情况，可参考TFT-LCD的驱动电路对每个像素单元的驱动电压独立调制。另外，通过在液晶结构中再添加一片电控液晶层，可以增加一个调谐自由度，使偏振态的调制不再局限于线偏振面的旋转，甚至可以在椭圆偏振、圆偏振和线偏振之间转变，调制范围更广。

基于光强增强效应，我们提出一个如图3所示的生成有色光的结构。光照射到金属纳米结构层之后会形成光强热点区域，进而激发附着在热点区域的荧光量子点，产生相应颜色的荧光。

图3：提出的生成有色光结构
图源：液晶与显示, 2023, 38(1): 32-39.

三种量子点（红、绿、蓝）沉积固定在透明玻璃基板上的三角形金属纳米结构的顶点上。液晶调制器由多个液晶盒组成，以调制入射紫外光的偏振，使某些特定区域内的QDs被强烈地激发。此后，激发的有色光将穿过玻璃基板并被人眼感知。入射光的光强分布会随着偏振态的变化而改变，从而使出射光呈现出不同的颜色。同时，玻璃基板可阻挡紫外线以保护人体健康。

▍FDTD模拟

利用时域有限差分法（FDTD）模拟了一些特殊结构的电场分布。具有一定线性偏振的光将在三角形的顶点处产生热点。为了找到在特定偏振态下只有在一个顶点具有强电场而在其他顶点只具有微弱电场的结构，选择金属层由具有三角形形状、厚度为100 nm的铝制成，基板由Al₂O₃制成，正常入射光源的波长为325 nm进行模拟（热点用红色圆圈圈出）。当光的偏振方向沿金属三角形中垂线时，偏振方向所指的顶点电场放大了20多倍，另两个顶点略有电场放大的区域；当偏振方向沿金属三角形某一条边时，偏振方向所指的两个顶点电场放大了100倍以上，另外一个顶点的电场没有被放大，呈现弱光状态。这种特性可以在补色光（CMY）体系中得到很好的应用。   

图4：不同偏振入射光下的电场分布，(a)：偏振方向沿中垂线(b)：偏振方向沿三角形的一条边
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):32-39.

为了使更多的量子点得到光激发，设置了深为100 nm、宽度为50 nm的凹槽来容纳相应的量子点。图5（a）（b）分别显示了沿边偏振的光在另两条凹槽的中间区域形成电场放大和沿中垂线偏振的光在一条凹槽的中间区域形成电场放大，放大倍数均接近20。

图5：不同沟槽结构的电场分布，1.三角形沟槽结构(a)：入射光偏振方向垂直于中垂线(b)：入射光偏振方向沿中垂线2.矩形沟槽结构(c)：入射光偏振方向沿水平方向(d)：入射光偏振方向沿垂直方向(e)：入射光偏振方向沿对角线
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):32-39.

考虑到矩形结构的易加工的特点，对矩形结构也做了模拟。矩形的图形对称性使其只能在相对的顶点或者相对的边上放置相同的量子点，所以每一个矩形可以放置两种不同的量子点。图5下方的三张图显示了矩形凹槽结构在不同方向线偏振光照射下的电场分布，沿边偏振的光在矩形两条垂直偏振方向的凹槽的中间区域形成电场放大，放大倍数约为16，沿45°角方向偏振的光在矩形四条凹槽的中间区域形成电场放大，放大倍数接近10。凹槽围成三角形的效果明显要好于其围成矩形的效果，若如果考虑加工难易度、精度以及与分辨率、对比度相关的堆积密度，矩形可能是比较合适形状。

同时在矩形金属顶点也研究了场放大作用。电场放大倍数约为40，可以看到位于两个对角顶点处的热点，同时，在另外两个对角顶点处的电场非常弱。将量子点放置在矩形顶点位置的效果与前述几种结构的效果相比，在对比度方面有明显的优势，同时加工难度较低。

图6：矩形结构电场分布，(a)、(b)图分别表示偏振方向沿矩形两条不同对角线时的电场分布
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):32-39.

▍量子点显示模式的实验方案设计

为了将量子点连接到如图7中所示的矩形金属纳米结构中，提出了如图8所示的过程方法，即首先在基板上旋涂一层大约200 nm的PMMA，然后使用电子束刻蚀矩形网格，接着通过蒸镀沉积铝膜，再利用丙酮洗去PMMA层留下矩形铝格，接下来再旋涂一层PMMA，利用电子束在矩形铝格角落位置刻蚀小洞，再喷溅第一种量子点溶液并洗去PMMA，最后再利用相同的方法（电子束刻蚀小洞+喷溅）来植入第二种量子点。角处小孔的半径应小于25 nm，否则显现的颜色将会变弱。除了红和蓝量子点的组合外，我们可以用同样的方法获得其他两种组合（红和绿，绿和蓝）。然后我们可以把这些元素放入一个矩阵中来形成显示屏上的像素。

图7：量子点与金属结构连结预期的结构
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):32-39.

图8：提出的结构的制造过程
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):32-39.

▍讨论

不同偏振态的紫外光照射金属纳米结构会导致不同的光强分布，利用主动式液晶的多层结构可以通过电控的方式实现各种光的偏振态。由于对称性的缘故，利用圆偏振光照射由红绿蓝三种颜色量子点分别放置在三个顶点的金属三角形，会产生红绿蓝组合色，也就是白色，如图9所示。此外，利用椭圆偏振光，由于各顶点位置光强分布不均，还可以得到其他的组合色，如图10所示。正因为不同偏振态的UV光入射所产生的颜色不同这一特性，这种结构还可以反过来作为用于检测UV光偏振态的一种手段。

图9：用圆偏振光产生白色
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):32-39.

图10：用椭圆偏振光产生混合色
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):32-39.

▍结论

基于液晶调制光偏振的荧光量子点显示模式与传统显示相比，有着较高的能量利用率和较大的色域的优点，为人们日常的信息显示提供了一种新的思路。相信这种光偏振态调制受表面等离子体激励的荧光量子点的方法可以在显示以及非显示领域获得应用。但也存在着如分辨率、色彩对比度略低等不足,可以在矩形金属的大小、长宽比或金属结构的图形等方面进行优化（考虑尖角较多的分形结构），来尽可能增大量子点受电场热区作用的区域范围。

| 论文信息 |

汪思涵，王骁乾，薛文彬，李瀚璘，王翔乾，彭增辉，沈冬，郑致刚. 基于液晶调制光偏振的荧光量子点显示模式[J]. 液晶与显示, 2023, 38(1):32-39.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0306

| 通讯作者介绍 |

王骁乾，博士，讲师，2014年于香港科技大学获得博士学位，毕业后加入华东理工大学郑致刚教授团队，主要从事液晶微纳结构及光子器件方面的研究。

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