厉害了!速来围观LED最新技术进展

Sep 9, 2021

只有想不到的,没有做不到的。当前,技术日新月异,LED也正在不断产生新的突破和创新。且来看看LED最新技术发展突破。

高性能钙钛矿量子点,应用于发光二极

广东省科学院半导体研究所新型显示团队与中科院长春应用化学研究所相关团队合作,开发出高性能钙钛矿量子点并成功应用于发光二极管。相关研究近日发表于Journal of Materials Chemistry C。

钙钛矿量子点是近几年发展起来的新型光电材料,由于其具有荧光量子效率高、亮度高、缺陷容忍度高以及色域满足BT.2020标准等优点,在发光二极管(LED)和新型显示领域具有广阔的应用前景。但钙钛矿量子点由于其比表面积大,表面缺陷和表面有机配体的绝缘特性对其荧光量子效率、光电器件性能等具有显著的影响。

镓离子钝化钙钛矿量子点缺陷及其发光二极管示意图
镓离子钝化钙钛矿量子点缺陷及其发光二极管示意图

基于以上问题,省科学院半导体研究所新型显示团队与中科院长春应用化学研究所相关团队合作,利用高价金属镓离子对全无机钙钛矿量子点CsPbBr3表面进行钝化修饰,制备出具有高光电效率的CsPbBr3电致发光器件。

该工作重点研究了金属镓离子源对CsPbBr3量子点的表面钝化机制和性能影响。研究结果表明,金属镓离子的修饰显著的降低了CsPbBr3量子点表面缺陷态密度,提高了荧光量子效率,同时镓离子对量子点表面有机配体的部分替代提高了载流子传输能力。相比未经过镓离子修饰的量子点器件,基于该量子点材料制备的电致发光器件最高亮度提高了2倍,电流效率提高了9倍以上,器件寿命提高了7倍以上。该方法研究了量子点缺陷对器件性能影响的问题,发展了该体系量子点缺陷钝化的方法。

相关研究成果发表在国际权威期刊Journal of Materials Chemistry C,半导体所王建太博士为论文第一作者,学术带头人龚政博士和长春应化所谢志元研究员为联合通讯作者。该方法解决了量子点表面缺陷对器件性能影响的问题,发展了该体系量子点缺陷钝化的方法。

论文信息:Wang, J., Xu, Y., Zou, S., Pang, C., Cao, R., Pan, Z., Guo, C., Hu, S., Liu, J., Xie, Z., & Gong, Z. (2021). Effective defect passivation of CsPbBr3 quantum dots using gallium cations toward the fabrication of bright perovskite LEDs. Journal of Materials Chemistry C.

MOF薄膜的钙钛矿纳米晶体,可制造LED

钙钛矿纳米晶体是发光二极管 (LED) 的绝佳候选材料之一。然而,它们在固体薄膜中不稳定,往往会降解为块体材料,这极大的降低了它们用于LED的潜力。洛斯阿拉莫斯国家实验室Wanyi Nie和Hsinhan Tsai等人证明了稳定在金属有机框架 (MOF) 薄膜中的钙钛矿纳米晶体可以制造明亮且稳定的LED。

MOF薄膜的钙钛矿纳米晶体可以在持续的紫外线照射、热和电应力下保持光致发光和电致发光。光学表征和X 射线光谱表征证明了钙钛矿-MOF纳米晶体的强发射源于局部载流子复合。

由钙钛矿-MOF纳米晶体制成的明亮 LED获得了超过15%的最大外量子效率和超过 105 cd m-2 的高亮度,稳定优异。在LED工作过程中,性能稳定超过50小时。同时,纳米晶体通过MOF基体的保护,可以很好地保存,没有离子迁移或晶体混相。

Tsai, H., Shrestha, S., Vilá, R.A. et al. Bright and stable light-emitting diodes made with perovskite nanocrystals stabilized in metal–organic frameworks. Nat. Photon. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41566...

韩国科学家开发全新LED技术

虽然现在大多数智能手机的屏幕都内置了触觉反馈,但整个屏幕都会发出嗡嗡声,限制了该技术的应用。然而,一种新的触摸屏薄膜,利用LED只在特定区域振动。在普通的智能手机或平板电脑中,振动是由一个小型电机产生的。这对于提醒用户注意来电或信息等任务是有效的。不过,振动是在整个屏幕表面感受到的,它们不能从显示屏内的精确位置发出。

韩国电子通信研究院的科学家们已经开始着手解决这一缺陷,他们开发了一种柔性显示器,由铺在微小的低功耗近红外LED网格上的触摸屏薄膜组成。

薄膜上涂有一种聚合物,它能吸收光能,将其转化为热能,然后由于产生的热量而膨胀和弯曲。

当特定的LED在特定区域内快速闪烁时,这些LED上方的薄膜会在交替升温和降温时迅速弯曲和变平。用户的指尖可以感受到这个动作,这是一种局部的振动。

现在科学家们希望,一旦进一步发展,这项技术可以投入应用,比如为盲人提供可改变的盲文显示器,或者在屏幕图像中,用户可以感受到各种材料的不同质感。

科学家们目前正在努力提高光到振动转换过程的效率,并降低该技术的能源需求。

半极化Micro LED技术取得突破

近期,台湾大学林恭如教授团队、阳明交通大学郭浩中教授团队及东京大学暨日本学术振兴会程志贤特别研究员合作开发带有奈米光栅结构的半极化绿光2x2微型发光二极管(Micro LED)阵列并进行高速传输封装以实现高速无线可见光传输其传输位元率可达5 Gbit/s,如图一所示。在绿光2x2 Micro LED阵列的特殊设计下可以有效抑制量子局限史塔克效应(Quantum-confined Start effect)以拥有低极化相关电场和平坦的量子井能带。

图(a)奈米结构半极化绿光Micro LED元件示意图; (b)(c)2х2 Micro LED元件点亮与未点亮在光学显微镜下的影像
图一(a)奈米结构半极化绿光Micro LED元件示意图; (b)(c)2х2 Micro LED元件点亮与未点亮在光学显微镜下的影像

Micro LED除了照明以及显示技术,还能将讯号加在Micro LED上,使其作为光源传输,赋予一个兼具照明以及资料传输的通讯应用,若照明波段落在可见光的,我们就将其称为可见光通讯(Visible Light Communication, VLC)。由于Micro LED具有低功耗以及较高的调变频宽,在可见光通讯领域会有很大的潜力。

而可见光通讯需要的成本来自于发射元件、接收元件、驱动电路、用于可见光通讯的专用芯片等,然而价格限制了可见光通讯的发展,因此,需要不断的改进制程,降低生产成本,才能使光通讯得以大规模推广,通过市场带动技术发展,规模化生产促进光通讯成本降低。

为了解决芯片缩小因表面缺陷造成LED光电特性不佳的问题,郭浩中教授研究团队导入原子层钝化沉积技术(Atomic layer deposition, ALD)来提升元件辐射复合的效率,减少漏电流的产生,开发出高性能的高速绿光Micro LED元件。此种效应使得绿光2x2 Micro LED阵列表现出2.5 V的启动电压以及在电流密度1 A/cm2操作下得到0.3 mW的输出功率。

此外,此绿光2x2 Micro LED阵列相较于一般传统LED元件展现出较小的波长偏移。另一方面,50m的大孔径设计可以有效降低元件的电容宜以提升整体3-dB调变频宽及在更大的偏压表现出-1dB的功率压缩。绿光2x2 Micro LED阵列设计相较于单颗Micro LED元件也可有效降低整体的元件借以降低功耗。

在搭配特定高速传输封装使得绿光2x2 Micro LED阵列在非归零开关键控格式讯号(Non-Return-to-Zero On-OFF Keying)传输下,其传输位元率可达1.5 Gbit/s。如图二(a)所示;

图二(a)-(f) NRZ-OOK传输下的眼图分析,其传输位元率可达1.5 Gbit/s。
图二(a)-(f) NRZ-OOK传输下的眼图分析,其传输位元率可达1.5 Gbit/s。

而在宽带正交振幅调变-正交分频多工格式传输系统下,使用8阶正交振幅调变-正交分频多工格式讯号且采样率为16 GS操作下,其误码率可达3.3×10-3,总传输位元率达4.5 Gbit/s。绿光2x2 Micro LED阵列使用加载离散多音(Bit-Loaded Discrete Multitone)格式传输在可以超过5 Gbit/s的传输位元率,为目前已知绿光调变最高的总传输位元率,如图三所示。

图三、比较利用NRZ-OOK与OFDM调变方式达到的总传输位元率。
图三、比较利用NRZ-OOK与OFDM调变方式达到的总传输位元率。

此次工作中显示绿光2x2 Micro LED阵列拥有更大的潜力,当与手持移动设备封装结合以应用于可见光通信或光无线通信领域的未来应用。相关研究成果被2021年被顶尖光电期刊《Photonics Research》所接受。

白光照明VLC研究上,阳明交通大学郭浩中教授团队与与美国新创公司Saphlux、耶鲁大学、厦门大学的研究人员合作,采用半极化(Semipolar)的Micro LED结合提出了一种用于全彩显示的PNCs-Micro LED (Perovskite NCs, PNCs)显示技术,该元件是使用半极性(20-21)蓝色Micro LED阵列进行激发,该阵列具有发射绿色的CsPbBr3和发射红色的CsPbBrI2 PNCs,如图四所示。接着在外层披覆SiO2以增强其稳定性,使PNCs可以在老化测试超过1300小时后成功保持其光强度。

图四、可挠式色转换层的制作流程与PNCs-Micro LED白光元件的影像图。
图四、可挠式色转换层的制作流程与PNCs-Micro LED白光元件的影像图。

此外,半极性(20-21)Micro LED阵列具有良好的波长偏移特性,在不同电流密度下,与具有同对数量子阱(MQW)设计的c-plane Micro LED相比,波长偏移仅为2.7 nm,如图五(c)。PNCs产生的红色和绿色显著提高了色纯度和色域,可达到127.23% NTSC标准色域面积占比的和95.00% Rec. 2020,如图五(b)。

同时也提供655 MHz频宽和1.2 Gbp/s 的数据传输速率,如图五(a)(d)-(f)所提出的PNC-Micro LED具有色偏小、色域大、频宽高、稳定性强等优点,相关研究成果被2021年被顶尖光电期刊《Photonics Research》所接受。

图五、(a)不同操作电流下的半极化蓝光Micro LED频率响应;(b) PNCs-Micro LED的色域面积图;(c)半极化蓝光Micro LED在不同操作电流密度条件下的波长位移;(d)-(f) NRZ-OOK传输下的眼图分析,其传输位元率可达1.2 Gbit/s。
图五、(a)不同操作电流下的半极化蓝光Micro LED频率响应;(b) PNCs-Micro LED的色域面积图;(c)半极化蓝光Micro LED在不同操作电流密度条件下的波长位移;(d)-(f) NRZ-OOK传输下的眼图分析,其传输位元率可达1.2 Gbit/s。


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