麻省理工提出组装量子棒阵列新方法，为AR/VR显示提高光学效率
将制造时间从原来的数天缩短到数分钟
（映维网Nweon 2023年08月17日）具有纳米级精度的2D量子点和量子棒阵列的规模量产对一系列的器件而言都非常重要。尽管量子点电视现在已经商业化，但可以控制光的偏振和颜色，并能用于为VR设备生成图像的量子棒则困难得多。
在一项由美国海军研究办公室、美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室、以及美国能源部和国家环境健康科学研究所资助的项目中，麻省理工学院的研究人员利用折叠DNA制成的支架，并提出了一种精确组装量子棒阵列的新方法。实验显示，所述解决方案可以将制造时间从原来的数天缩短到数分钟。
量子点（QD）和量子棒（QR）具有明亮和可调谐的窄带光致发光发射特征，并可应用于一系列的先进设备，特别是μ- LED领域。与OLED和LC显示器相比，它们在亮度、颜色、最小像素尺寸和寿命方面具有优势。
量子棒特别有趣，因为它们具有偏振光发射，从而有望提高显示设备的光学效率。早前有研究指出，当将发射极偶极子沿杆长轴对齐到LED结构中时，可以实现高达40%的耦出效率，这远大于基于量子点的LED的典型耦出效率（<25%）。
量子棒的优势对于先进的显示应用至关重要，例如由μ- LED组成的虚拟现实和增强现实设备。
然而，高质量的偏振光源需要在纳米到微米尺度沿其长轴排列量子棒，而传统的相关技术难以可靠地生产。换句话说，以纳米级精度可扩展地生产量子棒二维阵列的方法非常关键。
研究人员马克·巴特（Mark Bathe）表示：“量子棒面临的挑战之一是如何在纳米尺度排列它们，使它们都指向同一个方向。当它们都指向二维表面上的同一方向时，它们都具有与光相互作用并控制其偏振的相同特性。”
DNA折纸技术是利用DNA分子所具有的结构特征和碱基互补配对原则折叠长链DNA的特定区域。它可以以亚纳米精度在纳米到微尺度编程纳米材料的位置和方向。所以，将基于DNA折纸的纳米材料集成到光子器件中是实现目标最有希望的途径之一。
在研究中，麻省理工学院团队开发了一种超快速超声介导和脱水辅助功能化方法，将密集的DNA链层与量子点和量子棒从原始的有机溶剂偶联到水缓冲液，从而大大缩短了合成所需的时间，从原来的数天时间缩短到数分钟。
团队指出，这一方法可应用于具有各种尺寸、纵横比和光谱的量子点和量子棒，如图A所示。
量子点和量子棒具有较高的DNA密度，这使得它们在各种盐水缓冲液中具有优异的稳定性，并且具有出色的结合亲和力和对DNA折纸结构的保真度。
具体来说，所述方法首先用硫醇衍生的ssDNA和Na+在有机溶剂中孵育分散的量子点或量子棒，然后进行超声直到形成乳液。然后，加入1-丁醇使混合物瞬间脱水，令ssDNA凝聚在量子点和量子棒的表面，从而实现有效的偶联。最后，加入水相缓冲液，对脱水辅助偶联高密度表面DNA产生的量子点和量子棒进行复水和回收，如图B。
然后，用线框折纸模板制造密集的DNA功能化量子点/量子棒阵列。利用前人的研究，团队开发了表面辅助大规模组装方法，直接在固体衬底构建二维折纸晶格，以模板量子点/量子棒二维阵列，并完全控制纳米颗粒间距和方向，如图C所示。
具体来说，具有量子点/量子棒结合悬垂的二维折纸首先在每个折纸边缘使用匹配的横向悬垂/空位，从而直接在云母表面组装成二维晶格。然后，采用一价阳离子、热退火和表面选择悬垂来允许表面扩散、误差校正和适当的着陆侧选择，从而实现大的、连续的晶格颗粒。用高密度互补DNA链功能化的量子点/量子棒可以组装到折纸晶格上，而方向和间距由折纸排列决定。
这个过程只需要数分钟，比任何现有的将DNA附着到纳米级粒子的方法都要快得多。团队认为，这可能是实现量子棒商业应用的关键。
巴特指出：“这种方法的独特之处在于，它几乎普遍适用于任何与纳米颗粒表面有亲和力的亲水配体，使得它们能够立即推到纳米级颗粒的表面。通过利用这种方法，我们将制造时间从几天显著减少到几分钟。”
DNA链就像魔术贴一样帮助量子棒粘在DNA折纸模板，从而形成一层覆盖在硅酸盐表面的薄膜。这种DNA薄膜首先是通过自组装形成的，通过沿边缘悬垂的DNA链将邻近的DNA模板连接在一起。
现在，将所述研究转化为商业设备是团队下一步的重点。同时，研究人员希望创造具有蚀刻图案的晶圆级表面，从而允许他们将设计扩展到量子棒的设备级排列，并用于一系列的应用。
