卓立漢光顯微熒光壽命成像系統(tǒng)下的微顯示世界

更新時間：2026-01-13

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您有過戴上AR眼鏡，去體驗虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境交互融合樂趣的經(jīng)歷嗎？在AR的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality)世界中，科學(xué)家們借助光電顯示、交互技術(shù)、多種傳感器和計算機(jī)圖形與多媒體技術(shù)，將計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境與用戶周圍的現(xiàn)實(shí)環(huán)境融為一體，使用戶從感官效果上確信虛擬環(huán)境是其周圍真實(shí)環(huán)境的組成部分。微顯示則是實(shí)現(xiàn)AR最關(guān)鍵的技術(shù)之一。

微顯示是指對角線尺寸通常小于1英寸但具有高分辨率的微型顯示器，其核心特點(diǎn)是像素尺寸極小，像素密度*高。在AR/VR設(shè)備、車載顯示及智能穿戴等領(lǐng)域中，微顯示技術(shù)正處于大放異彩的發(fā)展階段。

圖1. 微顯示在智能穿戴中的應(yīng)用

微顯示涵蓋硅基液晶（LCOS）、數(shù)字微鏡陣列（DLP）、硅基有機(jī)發(fā)光二極管（Micro-OLED）和微型GaN發(fā)光二極管（Micro-LED）和微型量子點(diǎn)發(fā)光二極管（Micro-QLED）。其中Micro-LED不需要額外照射光源，易于實(shí)現(xiàn)小型化。相對傳統(tǒng)的LCD低對比度和漏光殘影，Micro-LED可熄滅單個像素，呈現(xiàn)黑，且具有小于微秒的快速響應(yīng)時間。而相對于Micro-OLED的燒屏風(fēng)險，Micro-LED 壽命更長，成本也更容易控制。其中，微型GaN發(fā)光二極管具有超高亮度、長壽命的特點(diǎn)，處在快速發(fā)展時期，但實(shí)現(xiàn)全彩化的工藝復(fù)雜，開發(fā)難度大。Micro-QLED具有發(fā)光亮度范圍大、容易實(shí)現(xiàn)高分辨和全彩化等特點(diǎn)，是具潛力的AR微顯示技術(shù)路線。

圖2. Micro-LED(QLED) 微顯示器

Micro-LED的尺寸一般都在百微米以下，不管是光致發(fā)光還是電致發(fā)光，想看到如此小尺寸的發(fā)光圖案需要借助于光學(xué)顯微鏡。對于光致發(fā)光研究來說，熒光顯微鏡是表征微顯示世界中Micro-LED的發(fā)光圖案的工具。

顯微熒光成像可分為熒光強(qiáng)度成像和熒光壽命成像。熒光強(qiáng)度成像可以得到樣品表面微區(qū)的熒光強(qiáng)度分布，用以判斷表面發(fā)光的均勻性。熒光壽命成像則是利用樣品表面發(fā)光壽命組分進(jìn)行成像，得到不同壽命組分的分布，可為樣品表面的缺陷態(tài)、能量轉(zhuǎn)移等深層次機(jī)理研究提供參考。

圖3. 熒光壽命顯微鏡兩種成像模式

卓立漢光OmniFluo-FLIM熒光壽命成像顯微鏡基于科研級正置顯微鏡設(shè)計，配置高靈敏度光電倍增管和快速響應(yīng)CCD作為檢測器。皮秒脈沖激光器作為壽命測試的激發(fā)光源。軟件控制的自動XY位移臺，移動精度為1μm。最多可耦合四路入射激光，軟件可自動執(zhí)行內(nèi)部光路切換。以下帶來OmniFluo-FLIM在Micro-LED光致發(fā)光圖案表征中的案例分享。

圖4. OmniFluo-FLIM熒光壽命成像顯微鏡

氮化鎵 Micro-LED 異常發(fā)光區(qū)域辨別

圖5A為直徑80微米的氮化鎵 Micro-LED的熒光顯微鏡明場成像照片。在圓形圖像的右邊可以看到一個不規(guī)則的暗區(qū)（紅圈標(biāo)注），這個暗區(qū)有可能是樣品表面的污染或者缺陷造成。5B為樣品的熒光強(qiáng)度成像，同樣可以看到MicroLED 上同一位置處的暗藍(lán)區(qū)域（紅圈標(biāo)注），表明此區(qū)域的熒光與樣品表面其他區(qū)域相比，強(qiáng)度有很大的降低。單從圖5A和5B，難以對此異常區(qū)域形成的原因做出有效的推測，因為樣品表面的污染或者是某種形式的能量轉(zhuǎn)移均能造成熒光強(qiáng)度的降低。為了進(jìn)一步探尋原因，我們使用了熒光壽命成像（圖5C）。從圖中可以看到，前兩個圖中的異常區(qū)域消失了，這意味著此異常區(qū)域并無缺陷存在，因為缺陷導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)移一般會伴隨熒光壽命的減小，因此可以推斷，在圖5A和圖5B中測到的異常區(qū)域應(yīng)為某種污染所導(dǎo)致。

圖5. (A)明場成像; (B) 熒光強(qiáng)度成像; (C) 熒光壽命成像

量子點(diǎn)Micro-QLED 圖案化表征及質(zhì)量檢測

圖案化表征

QLED是一種基于量子點(diǎn)的新型發(fā)光技術(shù)，具有發(fā)光亮度高、色域?qū)挕⒖扇芤杭庸さ忍攸c(diǎn)，通過適配光刻、噴墨打印等量產(chǎn)工藝，可分別滿足中大尺寸和微顯示屏的應(yīng)用需求。通過不同的光刻膠工藝可制備各種有趣的紅光Micro-QLED圖案。圖6為在OmniFluo-FLIM熒光壽命成像顯微鏡下獲取的熒光強(qiáng)度成像（PL Mapping），橫坐標(biāo)標(biāo)尺單位為μm。

圖6. 圖案化Micro-QLED 的顯微熒光強(qiáng)度成像

當(dāng)選擇 OmniFluo-FLIM配置的快速響應(yīng)CCD作為檢測器，可大大縮短Mapping時間。PL Mapping 中任意位置處的熒光發(fā)射光譜可通過點(diǎn)擊圖像中不同像素點(diǎn)得到。圖7為一個尺寸為25μm的紅光Micro-QLED上不同位置處（a、b、c、d）所對應(yīng)的PL光譜，發(fā)光峰位于627nm。

圖7. 紅光Micro-LED的PL Mapping及不同位置處的熒光光譜

工藝質(zhì)量檢測

Micro-QLED在制備過程中可能會因為工藝條件的變化導(dǎo)致部分像素脫落，通過PL Mapping可以對圖案制備的質(zhì)量進(jìn)行判斷。圖8A為正常圖案的點(diǎn)狀Micro-QLED，單個尺寸為18μm左右。圖8B可見部分Micro-QLED在制備過程中由于某種原因發(fā)生脫落，造成圖案的缺失，可見PL Mapping可作為檢驗圖案化效果的有效手段之一。

圖8. Micro-LED 的PL Mapping圖（A）正常圖案；（B）部分量子點(diǎn)脫落圖案

特別致謝

以上圖案化Micro-QLED樣品由北京理工大學(xué)智能光子學(xué)團(tuán)隊鐘海政教授課題組提供。

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