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| 北理工张学强、杨高岭等 LAM｜飞秒激光构筑micro-LED量子点像素 |
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导读
近日，北京理工大学博士研究生Muhammad Farhan在张学强教授指导下，与团队成员共同在Light: Advanced Manufacturing发表了题为“Spatially shaped femtosecond-laser-assisted 100 nm ultrafine patterning of quantum dots for high-resolution micro-LED displays”的研究论文。
针对高分辨率 micro-LED 全彩显示中量子点像素难以实现精细、均匀图案化的问题，研究团队提出了一种空间整形飞秒激光辅助的“微孔加工—量子点填充”方法。该方法在 SU-8 薄膜中制备了最小孔径达 100 纳米的规则微孔；在量子点填充方面，获得了尺寸约为 700 纳米的可靠发光像素，并进一步构筑了单色和红绿双色量子点像素阵列。红色和绿色像素的发光均匀性分别达到约 90% 和 97%；结合蓝光发射后，构建的 RGB 色域达到 NTSC 标准的 111%，表现出良好的色彩纯度和显示潜力。
该方法无需传统光刻掩模和复杂的显影、去胶过程，并避免了激光直接加工量子点可能造成的发光性能损伤，为高分辨率AR/VR微显示和下一代全彩micro-LED显示提供了新的制造思路。
随着 AR/VR、智能穿戴和近眼显示技术的发展，显示器需要在更小的面积内集成更多像素。Micro-LED 具有高亮度、响应速度快、功耗低等优势，被认为是下一代微显示的重要技术路线。
然而，实现高分辨率全彩 micro-LED 并不容易。量子点色转换技术可以利用蓝色micro-LED提供的蓝光激发红色和绿色量子点，从而形成红、绿、蓝三基色。但像素尺寸越小，越难将不同颜色的量子点准确限制在指定区域。量子点的扩散、聚集和边界模糊，都可能影响显示分辨率与色彩质量。
针对这一难题，研究团队提出了“先打孔，再填色”的制造思路。首先，利用空间整形飞秒激光在 SU-8 薄膜中加工规则的微孔阵列。随后，将红色或绿色量子点填入指定微孔。微孔如同一个个微型“像素模具”，可以限制量子点的位置和形状，最终形成单色及双色量子点色转换像素。
图1：空间整形飞秒激光辅助量子点像素制备流程（基于原论文图重新整理）
一、飞秒激光精准构筑微孔阵列
该方法无需传统光刻掩模和复杂的显影、去胶过程，并避免了激光直接加工量子点可能造成的发光性能损伤，为高分辨率AR/VR微显示和下一代全彩micro-LED显示提供了新的制造思路。
通过调节激光能量，研究团队实现了微孔尺寸的灵活控制，并将最小孔径缩小至100 nm。加工得到的微孔边界清晰、排列规整，可作为后续量子点填充的微型“像素模具”。
图2：飞秒激光加工的微孔阵列及100纳米微孔
二、微孔“装入”量子点，形成单色发光像素
完成微孔加工后，研究团队将红色或绿色CdSe量子点材料填入微孔，并通过固化和表面处理去除多余材料。这样，量子点被限制在指定位置，微孔也由加工结构转变为能够发光的彩色像素。实验结果显示，该方法能够制备不同尺寸的单色量子点像素阵列。像素边界清晰、排列规整，并呈现清晰的红光或绿光发射。研究团队进一步获得了尺寸约为700纳米的可靠发光像素，证明该方法具备亚微米尺度的量子点图案化能力。
图3：不同尺寸的红绿单色量子点像素阵列
三、红绿量子点精准排布 迈向全彩显示
在单色像素制备的基础上，研究团队进一步将红色和绿色量子点分别填入预设微孔，实现了红绿双色量子点像素阵列。不同颜色的量子点被限制在指定位置，像素之间边界清晰，有助于降低相邻颜色之间的混合与串扰。
荧光成像结果显示，红色和绿色像素排列规整，发光均匀。其中，红色和绿色像素的发光均匀性分别达到约90%和97%；结合蓝光发射后，构建的RGB色域覆盖达到111% NTSC，表现出良好的色彩纯度和显示潜力。这一结果表明，该方法可以实现不同颜色量子点的选择性集成，为红、绿量子点色转换层与蓝色micro-LED结合构筑全彩像素提供了基础 。
图4：红绿双色量子点像素阵列
四、总结与展望
该研究将空间整形飞秒激光加工与量子点微孔填充相结合，实现了从超精细微孔、单色发光像素到红绿双色像素阵列的连续构筑。该方法利用微孔限制量子点的位置和尺寸，在提高图案化精度的同时，避免了激光直接作用于量子点材料，为高分辨率量子点色转换层的制造提供了新的技术路径。
未来，该方法可进一步与蓝色micro-LED阵列结合，并向更大面积、更高填充一致性和器件级集成方向拓展。随着加工速度、量子点填充工艺和器件封装技术的持续优化，该技术有望应用于AR/VR、可穿戴显示和其他高像素密度显示系统。（来源：先进制造微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.089
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