荧光显微镜下的微显示世界

微显示涵盖硅基液晶（LCOS）、数字微镜阵列（DLP）、硅基有机发光二极管（Micro-OLED）、微型GaN发光二极管（Micro-LED）和微型量子点发光二极管（Micro-QLED）。其中Micro-LED不需要额外照射光源，易于实现小型化。相对传统的LCD低对比度和漏光残影，Micro-LED可熄灭单个像素，呈现绝对黑，且具有小于微秒的快速响应时间。而相对于Micro-OLED的烧屏风险，Micro-LED 寿命更长，成本也更容易控制。其中，微型GaN发光二极管具有超高亮度、长寿命的特点，处在快速发展时期，但实现全彩化的工艺复杂，开发难度大。Micro-QLED具有发光亮度范围大、容易实现高分辨和全彩化等特点，是最具潜力的AR微显示技术路线。

图2. Micro-LED(QLED) 微显示器

Micro-LED的尺寸一般都在百微米以下，不管是光致发光还是电致发光，想看到如此小尺寸的发光图案需要借助于光学显微镜。对于光致发光研究来说，荧光显微镜是表征微显示世界中Micro-LED的发光图案的绝佳工具。

显微荧光成像可分为荧光强度成像和荧光寿命成像。荧光强度成像可以得到样品表面微区的荧光强度分布，用以判断表面发光的均匀性。荧光寿命成像则是利用样品表面发光寿命组分进行成像，得到不同寿命组分的分布，可为样品表面的缺陷态、能量转移等深层次机理研究提供参考。

图3. 荧光寿命显微镜两种成像模式

卓立汉光OmniFluo-FLIM荧光寿命成像显微镜基于科研级正置显微镜设计，配置高灵敏度光电倍增管和快速响应CCD作为检测器。皮秒脉冲激光器作为寿命测试的激发光源。软件控制的自动XY位移台，移动精度为1μm。最多可耦合四路入射激光，软件可自动执行内部光路切换。以下带来OmniFluo-FLIM在Micro-LED光致发光图案表征中的案例分享。

图4. OmniFluo-FLIM荧光寿命成像显微镜

图5A为直径80微米的氮化镓 Micro-LED的荧光显微镜明场成像照片。在圆形图像的右边可以看到一个不规则的暗区（红圈标注），这个暗区有可能是样品表面的污染或者缺陷造成。5B为样品的荧光强度成像，同样可以看到MicroLED 上同一位置处的暗蓝区域（红圈标注），表明此区域的荧光与样品表面其他区域相比，强度有很大的降低。单从图5A和5B，难以对此异常区域形成的原因做出有效的推测，因为样品表面的污染、LED部分脱落或者是某种形式的能量转移均能造成荧光强度的降低。为了进一步探寻原因，我们使用了荧光寿命成像（图5C）。从图中可以看到，前两个图中的异常区域消失了，这意味着此异常区域并无缺陷存在，因为缺陷导致的能量转移一般会伴随荧光寿命的减小，因此可以推断，在图5A和图5B中测到的异常区域应为某种污染或是制备过程中LED部分脱落所导致。

图5. (A)明场成像; (B) 荧光强度成像; (C) 荧光寿命成像

QLED是一种基于量子点的新型发光技术，具有发光亮度高、色域宽、可溶液加工等特点，通过适配光刻、喷墨打印等量产工艺，可分别满足中大尺寸和微显示屏的应用需求。通过不同的光刻胶工艺可制备各种有趣的红光Micro-QLED图案。图6为在OmniFluo-FLIM荧光寿命成像显微镜下获取的图案化Micro-QLED荧光强度成像（PL Mapping），横坐标标尺单位为μm。

图6. 图案化Micro-QLED 的显微荧光强度成像

当选择 OmniFluo-FLIM配置的快速响应CCD作为检测器，可大大缩短Mapping时间。PL Mapping 中任意位置处的荧光发射光谱可通过点击图像中不同像素点得到。图7为一个尺寸为25μm的红光Micro-QLED上不同位置处（a、b、c、d）所对应的PL光谱，发光峰位于627nm。

图7. 红光Micro-LED的PL Mapping及不同位置处的荧光光谱

Micro-QLED在制备过程中可能会因为工艺条件的变化导致部分像素脱落，通过PL Mapping可以对图案制备的质量进行判断。图8A为正常图案的点状Micro-QLED，单个尺寸为18μm左右。图8B可见部分Micro-QLED在制备过程中由于某种原因发生脱落，造成图案的缺失，可见PL Mapping可作为检验图案化质量的有效手段之一。

图8. Micro-LED 的PL Mapping图（A）正常图案；（B）部分量子点脱落图案

特别致谢

以上图案化Micro-QLED样品由北京理工大学智能光子学团队钟海政教授课题组提供。

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