用于多功能顯示器的新型光響應(yīng)LED

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雙功能納米棒LED不僅能發(fā)光，同時(shí)還能檢測(cè)光，這種顛覆未來(lái)的新技術(shù)即將開(kāi)啟下一代智能設(shè)備顯示器之門(mén)。搭載光響應(yīng)LED顯示器的智能手機(jī)和其他設(shè)備很快就能夠?qū)崿F(xiàn)全新的用戶界面功能，比如手勢(shì)控制、根據(jù)環(huán)境照明自動(dòng)調(diào)光以及自動(dòng)充電功能等。

來(lái)自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校以及美國(guó)陶氏化學(xué)電子材料事業(yè)部的多國(guó)研究人員小組提出了一種微小異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米棒和發(fā)光量子點(diǎn)技術(shù)，這種器件既可以用作光電傳感器，也可以用作發(fā)光二極管——取決于偏置電流方向。這種基于量子點(diǎn)的設(shè)備可以收集光、發(fā)光并處理信息。納米棒LED由多種半導(dǎo)體組成，這使得器件可以在發(fā)射和檢測(cè)之間快速切換，以實(shí)現(xiàn)這兩種功能。

雙異質(zhì)結(jié)納米棒（DHNR）光響應(yīng)LED的長(zhǎng)度大約為50納米，直徑為5納米，比一根頭發(fā)絲還細(xì)一千倍。這些納米棒內(nèi)的量子點(diǎn)與兩種不同半導(dǎo)體材料直接接觸。而且，它們由三種半導(dǎo)體材料制成。第一種能夠發(fā)射并吸收可見(jiàn)光。另外兩種材料控制電荷如何通過(guò)第一種材料。把這些材料整合在一起，LED就可以發(fā)光、感測(cè)光和響應(yīng)光。要發(fā)光并檢測(cè)光，每個(gè)LED都必須在打開(kāi)和關(guān)閉之間切換，然而，這種轉(zhuǎn)換的頻率非常高，對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)，顯示器不存在任何卡頓。

圖1 DHNR的低倍和高倍掃描透射電子顯微鏡圖像&左側(cè)白色虛線框的放大圖像。/ ?Oh等人，2017

DHNR的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)需要CdS、CdSe和ZnSe。其中，微小的半導(dǎo)體納米棒由硫化鎘（CdS）制成，然后用發(fā)光硒化鎘（CdSe）——能隙較小的半導(dǎo)體——量子點(diǎn)（QD）覆蓋。而CdSe端又用硒化鋅（ZnSe）——能隙較大的半導(dǎo)體——進(jìn)行封裝。憑借其結(jié)構(gòu)，DHNR可以充當(dāng)電荷分離和重組中心。具有微調(diào)電荷分離和重組能力的DHNR還能夠同時(shí)在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)光電流生成和電致發(fā)光功能。

圖210×10 DHNR-LED陣列原理圖/ ?Oh等人，2017

DHNR堆疊在電極之間后，可以被布置成像素陣列，如果偏壓由正向改為反向，那么LED就可以在發(fā)光和光檢測(cè)模式之間切換。這種方案處理型DHNR-LED的優(yōu)勢(shì)如下：低導(dǎo)通電壓（約1.7 V）；窄帶寬（<30 nm）；最大亮度 >80,000 cd/m2。DHNR-LED在顯示相關(guān)亮度方面也具有低偏壓和高效率特性。偏壓為2.5 V、照度為1000 cd/m2時(shí)，其外部量子效率為8.0％。

DHNR-LED還可以在零偏壓或反向偏壓下用作光電探測(cè)器。我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：用激光筆照射一個(gè)10×10的像素陣列。通過(guò)編程，電路板可為向零偏壓檢測(cè)入射光的任何像素提供正向偏壓。然后，來(lái)自激光筆的信號(hào)被LED陣列空間分解，實(shí)現(xiàn)在顯示器上的一種“寫(xiě)入”動(dòng)作。這個(gè)簡(jiǎn)單的控制電路可以將任何檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成期望的響應(yīng)，比如亮度調(diào)節(jié)。因此，這種LED能夠?qū)⑾袼丶?jí)的光檢測(cè)或者靠近手指或觸控筆產(chǎn)生的陰影轉(zhuǎn)換為新的非接觸命令。

圖3白色LED燈泡接近時(shí)，單像素級(jí)別的自動(dòng)亮度控制/ ?Oh等人，2017

圖4不斷靠近的手指阻擋周?chē)饩€時(shí)的自動(dòng)亮度控制響應(yīng)/ ?Oh等人，2017

圖5藍(lán)色激光筆照射在10×10光響應(yīng)LED像素陣列上/ ?Oh等人，2017

其中之一就是通過(guò)光伏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光檢測(cè)功能。大氣質(zhì)量（AM）1.5照度下產(chǎn)生的光電流可以實(shí)現(xiàn)0.2C％的功率轉(zhuǎn)換效率。該數(shù)值被測(cè)器件中比較普遍，最高為0.3％。四個(gè)器件在光伏模式下為超級(jí)電容器充電，然后電容反過(guò)來(lái)可以為L(zhǎng)ED模式下的相同器件供電。DHNR光響應(yīng)LED的光檢測(cè)功能類(lèi)似于光伏效應(yīng)，能夠讓顯示器收集或清除周?chē)庠吹哪芰浚恍枰戏蛛x的太陽(yáng)能電池，這使得顯示器更加高效。

LED的雙運(yùn)行模式開(kāi)啟了更多的可能性。憑借獨(dú)立的像素感測(cè)功能，我們可以實(shí)現(xiàn)直接成像或屏幕掃描。雙模式還可以將緊密耦合的LED顯示器轉(zhuǎn)換成大規(guī)模并行數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)顯示器到顯示器的直接數(shù)據(jù)通信。即使像藍(lán)牙這種設(shè)備到設(shè)備的通信也會(huì)變得更快，兩個(gè)面對(duì)面的LED陣列有多少像素，就可以用多少像素同時(shí)通信。

DHNR-LED的感測(cè)能力使得全新非接觸用戶界面設(shè)計(jì)以及利用顯示屏直接成像成為可能。研究人員補(bǔ)充道，雙模運(yùn)行的長(zhǎng)期穩(wěn)定性似乎很有希望，“初始亮度為1067 cd/m2，占空比為50％，連續(xù)運(yùn)行65小時(shí)后亮度和光響應(yīng)功能均無(wú)明顯下降。”其響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)顯示器要短得多，所以這種運(yùn)行模式不僅可以增強(qiáng)現(xiàn)有功能，而且還會(huì)完全重新定義顯示器及其功能和多任務(wù)處理能力。這種顯示器可以用于光電子白板或光筆響應(yīng)平板電腦，這意味著我們將會(huì)實(shí)現(xiàn)前所未有的全新通信、繪圖和藝術(shù)創(chuàng)作模式。

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審核編輯黃宇