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未來的AR眼鏡有望既能實現(xiàn)高清導航、實時翻譯，又能無縫接入虛擬會議，重量卻和普通眼鏡相差無幾？

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

此舉突破了制約該行業(yè)發(fā)展中“高分辨率”“紅綠藍全彩”“高性能”難以兼得的核心難題，讓超高清顯示的夢想照進現(xiàn)實，將給數(shù)字世界帶來一場前所未有的視覺革命。同時，這項自主可控的原創(chuàng)底層技術，將補齊我國在高端顯示芯片領域的短板，打破國外技術壟斷，為全球微納光電器件領域等研究提供了“中國方案”。相關成果近日發(fā)表于國際頂級期刊《自然》上。

用“納米印章”制備“完美像素”

從智能手機到頭戴設備，從車載終端到顯微儀器……隨著增強現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）等技術的快速發(fā)展，顯示設備正向更高分辨率、更真實色彩和更長壽命方向演進。

其中，“視網(wǎng)膜級”顯示（像素密度超過10000 PPI）被認為是關鍵目標。但是，當像素尺寸縮小到微米甚至納米尺度時，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，同時器件性能顯著下降，“高分辨率”和“高性能”幾乎無法兼得，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’，那么每一個像素就是畫布上一顆顆會發(fā)光的‘小點’，要想畫面足夠清晰，就必須把這些‘小點’排得又密又準?！绷至⑷A解釋說，當尺寸縮小到肉眼幾乎看不見的尺度時，如何把每一個像素“放對位置”“亮得均勻”，就成了一個非常棘手的問題。

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

為解決這一難題，福州大學研究團隊設計了一種全新的納米級印刷技術，即“硬質納米壓印—整體倒置轉印”?！昂唵蝸碚f，就是把‘軟印章’升級為堅硬且可重復使用的硅模板，相當于用一個高精度‘模具’在納米尺度上進行精準‘蓋章’，從源頭上保證圖案不變形。”林立華說。但是，光有“硬模具”還不夠，發(fā)光材料必須在納米級微孔中填得又密又均勻，才能保證每個像素都發(fā)光穩(wěn)定。

“為此，我們想到利用壓印和釋放過程中的微小作用力變化，讓材料在微孔中自動‘擠緊’‘排齊’，就像把松散的顆粒壓實并整理整齊，從而實現(xiàn)致密、均勻的填充效果?！绷至⑷A解釋道，通過這套方法，研究團隊成功把紅、綠、藍三種發(fā)光材料精準放置在各自位置，在9072到25400 PPI的超高分辨率范圍內，實現(xiàn)了接近無缺陷的像素排列，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“保護層”（PVB材料）。這層結構在制作過程中保護微結構不被破壞，在轉印時減少材料殘留，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，這項技術還具有很強的適應能力，即使在可以彎曲的柔性基底上，也能完成高精度圖案轉印，并保持穩(wěn)定的性能；同時，整個過程無需高溫和復雜光刻工藝，還可以兼容對環(huán)境敏感的“嬌貴”鈣鈦礦材料。這些特點都為未來大規(guī)模生產和應用打下了重要基礎。

給電場加上“智能調節(jié)器”

精準制備“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)，便是福州大學研究團隊面臨的第二個難題。

林立華告訴記者，通過實驗發(fā)現(xiàn)，當像素縮小到亞微米尺度時，器件內部的電場分布會變得不均勻，尤其是在像素邊緣區(qū)域容易出現(xiàn)“電場集中效應”，即局部電場明顯增強。這會導致電荷在邊緣區(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)過狹窄河道時會變得更加集中。由此，不僅會增加能量損耗（如非輻射復合），還可能引發(fā)局部發(fā)熱，進而影響器件效率和長期穩(wěn)定性。這是長期制約超高分辨率量子點發(fā)光二極管性能提升的重要原因之一。

針對這一問題，研究團隊通過系統(tǒng)的電學測試與模擬分析，提出了“二氧化鈦納米顆粒介電匹配”策略，相當于為器件內部電場加上了一個“智能調節(jié)器”。具體來說，他們在電荷阻擋層中引入適量的二氧化鈦納米顆粒，通過調控材料的介電特性，使其與量子點發(fā)光層更加匹配，從而讓電場分布更加均勻，就像讓原本擁擠的“水流”變得順暢有序。

實驗數(shù)據(jù)也印證了這一機制的有效性：在12700 PPI的超高分辨率下，紅光器件的峰值外量子效率達到26.1%，壽命更是長達65190小時；綠光和藍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)紀錄。

如果說，工藝創(chuàng)新解決了“如何把像素做得更小”這一首要問題，那么物理機制的突破，才真正解決了“像素變小的同時會導致性能變差”這一核心難點?！拔覀兘⒘藦摹殡娖ヅ洹健妶鼍鶆蚧俚健阅芴嵘耐暾㈤]環(huán)的解決方案，從物理機制層面闡明了限域像素結構中電場分布對器件性能的決定性作用。”林立華說。

這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了制約超高分辨量子點發(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——通過調控介電特性來改善電場分布，這為全球相關領域的研究提供了“中國方案”。

助力國產顯示關鍵技術自主可控

“這項兼具原創(chuàng)性與實用性的技術突破，正加快從實驗室走向產業(yè)前沿，為超高清顯示領域帶來全方位變革?！绷至⑷A說。

在近眼顯示領域，25400PPI的超高分辨率將消除“紗窗效應”，用戶佩戴設備時看到的畫面將與現(xiàn)實世界一樣清晰自然，沉浸式交互體驗感大幅提升。同時，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)進化，VR頭顯也能變得更便攜，推動這些價格昂貴的專業(yè)設備走向大眾消費市場?；谶@個技術突破，未來的AR眼鏡有望既能實現(xiàn)高清導航、實時翻譯，又能無縫接入虛擬會議，重量卻和普通眼鏡相差無幾。

在微顯示芯片領域，該技術可直接與現(xiàn)有芯片電路結合，實現(xiàn)對每一個像素的獨立驅動控制。在安防監(jiān)控、醫(yī)療顯微鏡、車載顯示等對集成度要求極高的領域，這項技術能打造出更小、更高效、更低功耗的微顯示芯片。更重要的是，這項自主可控的底層技術，將補齊我國在高端顯示芯片領域的短板，打破國外技術壟斷。

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

李福山表示，隨著工藝優(yōu)化、中試放大與產業(yè)鏈協(xié)同推進，福州大學的這項原創(chuàng)技術將快速落地，構建起“材料—工藝—器件—系統(tǒng)—應用”的完整創(chuàng)新生態(tài)，推動我國顯示產業(yè)從“規(guī)模領先”向“技術領跑”轉型，為數(shù)字經(jīng)濟、智能終端產業(yè)注入強勁的中國動力。

從實驗室里的微觀探索到未來生活的場景革新，福州大學團隊用工藝與機制的雙重突破，打通了超高分辨率顯示從制造到集成的關鍵路徑，讓超高清顯示的夢想照進現(xiàn)實。人們所接觸的數(shù)字世界，也將從“看得見”邁向“看得更真實、更沉浸”的全新階段，一場以新一代集成顯示為核心的視覺技術變革正在加速到來。

（以上均為福州大學供圖）