纳米人-牛！在公司上班，他们发了一篇Nature！

牛！在公司上班，他们发了一篇Nature！

学研汇技术中心纳米人 2023-06-21

特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨爱吃带鱼的小分子

编辑丨风云

现存问题

目前，印花法已经演示了将RGB LED转移到单个RGB子像素。但如放置精度问题、重复性差和有限尺寸等限制阻碍了高传输吞吐量。相比，FSA在流体中传输微尺寸元件，微尺寸元件附着在熔融焊料上，并通过最小化液态焊料的表面自由能在受体位点上自对齐。然而，将LED移动到受体位置的最佳方法尚未确定,且转移收率不够高，无法实现商业化。商业化需要一个高吞吐量的传输，以解决高容量的消费市场，其次，需要可扩展的技术将MicroLED转移到生产尺寸的基板上。第三，必须确定RGB微LED选择性FSA的技术解决方案。目前，大多数关于MicroLED FSA的研究都是使用单色LED进行的。

解决思路

基于此，韩国LG电子材料与器件先进研究中心的Wonjae Chang、Jeong Soo Lee等提出了一种结合了磁力和介电泳(DEP)力的MDSAT方法，以高速将RGB LED转移到大面积衬底上，转移产量优于先前的FSA方法。此外，MDSAT是一种可扩展的工艺，可以覆盖当今显示器生产中的玻璃尺寸。通过优化组装条件、受体设计和形状匹配，RGB LED的转移率达到99.99%，当与冗余像素架构结合使用时，足以实现无缺陷的4k分辨率显示，是一种理想的用于批量生产下一代商业产品的微LED转移技术。论文以《Concurrent self-assembly of RGB microLEDs for next-generation displays》题发表在Nature上。

MDSAT方法概述

MDSAT方法如图1a所示，图1a显示了将微型LED和组装基板放置在以去离子水为流体介质的浴室中。沿着衬底的背面放置圆形磁棒阵列，以对嵌入微LED的铁磁性材料(镍)施加磁力。最初，每个磁铁被提供一个轴向旋转运动，这样无数的微型LED聚集在它周围，随后，磁性阵列在x和y方向上移动，扫描衬底的整个区域。微LED团簇响应磁力移动，当它靠近受体孔时，来自该团簇的微LED被DEP力困在孔中。图1b显示了两个受体孔之间的DEP和磁力分布。DEP力超过磁力10倍，并控制最终的组装过程，其中由于DEP是一种短程力量，它只在受体孔周围有效。相比之下，磁力在很长的范围内起作用，并有助于微型LED在衬底上的传输。

图1：MDSAT流体装配过程示意图及COMSOL模拟计算的DEP和磁力分布图

DEP与磁力的关系

首先研究了由DEP力引起的微型LED在以相对于受体孔表面的不同角度接近受体孔时的运动。microLED是直径38 μm的GaN基圆盘，具有两个明显的特征: 底部有金属层(Ti)，侧壁和顶部有钝化层(图2a)。采用COMSOL有限元模拟方法研究了microLED与受体孔之间的DEP力。当粒子的感应偶极子与非均匀电场相互作用时，DEP力使粒子运动。图2a显示了DEP力矢量在组装电极方向上的z轴分量。DEP力随着角度的减小而增大，说明随着角度的减小，微LED被拉向受体孔，当角度小于10°时，DEP力占主导地位，最终组装完成。MDSAT方法中磁体的轴向旋转会引起微LED的摆动运动，预计会增加微LED满足组装角度标准的机会。而当角度大于60°时，DEP力在0附近波动，然后在165°后变为明显的负值。这表明微型LED可能会被推离受体孔的角度大于60°，特别是在存在外部磁力的情况下。利用超高速摄像机监测了单色微LED在感受器孔附近的行为验证模拟结果。研究观察到装配过程中的三个不同阶段：图2b,e显示了阶段1，其中微型LED聚集在受体孔周围，以响应磁力的运动。最靠近受体孔的微型LED对新兴的DEP力作出反应，其边缘与受体孔的周长相邻。图2c,f显示了阶段2，其中微型LED响应磁铁的旋转运动沿着孔的边缘摆动，表明它处于DEP和磁力之间平衡的过渡状态。在阶段3（图2d,g），当微型LED与受体孔之间的角度低于特定角度时，微型LED被组装起来。在描述微型LED在受体孔中的行为的基础上，研究了与DEP相关的施加峰峰电压(V_pp)变化时的转移产率。图2h给出了实验获得的传递率以及COMSOL模拟计算的DEP和磁力：随着V_pp的增加，转移产率开始增加，达到最大值后开始下降。为了解释这种行为，在组装地点的图像由电荷耦合器件相机和图像分析进行。在图像分析的基础上，发现在一个受体位点存在未组装位点和多个微LED等缺陷，从而降低了转移率。

图 2：DEP力对微型LED组装行为和转移良率的影响

使用MDSAT方法进行RGB组装

研究进行了RGB微LED的并发自组装，并证明使用所提出的MDSAT方法可以获得高组装率。设计了与RGB微LED相匹配的受体孔，并设计了两个轴向的受体孔尺寸均比LED大4 μm，红孔直径为42 μm，绿孔直径为49×35 μm，蓝孔直径为56×28 μm，获得了99.81%的组装率。对缺陷的仔细检查（图3）表明：微LED以倾斜的方式组装，其中微LED的一侧位于受体孔的底角，而另一侧则位于受体孔的顶部。为了详细研究这些形状不匹配缺陷，对所有形状不匹配组合情况下，不同θ_i（LED和受体孔之间的倾角）下的DEP力作为受体孔高度的函数进行了定量分析（图3c）。当受体空穴高度增加到5 μm时，θ_i增大，作用在LED上的DEP力减小。当孔高增加到4.3 μm以上，形状不匹配情况下的DEP水平均低于磁力水平。这表明增加孔高度可以增强形状不匹配缺陷的自我修复。进一步研究了3~5 μm的受体孔高度对转移产率的影响（图3d）。随着受体空穴高度的增加，由于形状不匹配缺陷的减少，转移收率显著提高。将孔高提高到4 μm后，转移收率和缺陷率显著提高，当孔高达到4.5 μm和5 μm时，转移收率高达99.99%，前所未有。

图 3：形状不匹配缺陷的显微镜图像和示意图以及DEP力和传递产率随受体孔高度的变化

还利用MDSAT方法制作了100×100 mm RGB MicroLED显示面板（图4a）。采用喷雾工艺对自组装后的微型LED进行固定，然后进行平面化，制作连接电源线和阳极与普通电极衬垫的接触孔。RGB面板的横截面视图显示了这些组成部分如图4所示，显示了RGB面板的电致发光发射，具有优异的发射强度和亮度均匀性，插入图显示了3×3像素的放大视图，清晰地发出红、绿、蓝三种颜色。在像素率方面，该面板显示了10个缺陷像素，代表99.98%的发射像素率。