臺(tái)面尺寸小于100 微米的微發(fā)光二極管（Micro-LED），與液晶顯示器（LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）等主流顯示技術(shù)相比，具有響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、亮度高和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是隨著近年來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的不斷發(fā)展，Micro-LED有望成為下一代顯示技術(shù)的核心，美能顯示作為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的顯示技術(shù)檢測(cè)公司，始終密切關(guān)注著核心材料的最新應(yīng)用及動(dòng)態(tài)。

由于制造成本高和外量子效率（EQE）低等問(wèn)題，Micro-LED尚未真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，研究人員致力于通過(guò)改進(jìn)納米材料和納米結(jié)構(gòu)來(lái)提高微發(fā)光二極管（Micro-LED）的發(fā)光率和顏色轉(zhuǎn)換效率（CCE）。

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Micro-LED的局限性

微發(fā)光二極管（Micro-LED）的低發(fā)光率和外量子效率（EQE）主要?dú)w因于尺寸效應(yīng)。在傳統(tǒng)的大尺寸發(fā)光二極管中，側(cè)壁面積占整體發(fā)光面積的比例很小，側(cè)壁缺陷對(duì)整體性能的影響微乎其微。然而，隨著臺(tái)面尺寸的縮小，Micro-LED的側(cè)壁效應(yīng)變得更加顯著。當(dāng)前微發(fā)光二極管的實(shí)際功耗比預(yù)期的更為嚴(yán)重，甚至高于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）。

另外，由于基于氮化鎵（GaN）的微發(fā)光二極管的折射率較高，光的逃逸角僅為23°，這意味著在有源區(qū)生成的光子在出射界面處容易發(fā)生全內(nèi)反射，導(dǎo)致僅有4%的光能被提取出來(lái)。

納米材料及結(jié)構(gòu)提高M(jìn)icro-LED發(fā)光效率和顏色轉(zhuǎn)換效率（CCE）示意圖

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非輻射能量轉(zhuǎn)移（NRET）

光從量子阱發(fā)出，照射到量子點(diǎn)上，量子點(diǎn)吸收光子能量進(jìn)行輻射躍遷，并發(fā)射低頻光子。這種通過(guò)光激發(fā)的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程被稱(chēng)為輻射能量轉(zhuǎn)移。在此過(guò)程中造成的浪費(fèi)，會(huì)導(dǎo)致在吸收轉(zhuǎn)換過(guò)程中光子的有效利用率降低，因此，將非輻射能量轉(zhuǎn)移（NRET）機(jī)制引入量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QD-LEDs）以提高顏色轉(zhuǎn)換效率CCE。

（a）NRET 原理示意圖;（b）金屬納米粒子與量子阱之間的LSPR示意圖;（c）金屬納米粒子與量子點(diǎn)之間的LSPR示意圖

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局域表面等離子共振（LSPR）

當(dāng)金屬材料的尺寸遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，在光波電場(chǎng)的作用下，粒子表面的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，從而形成局域等離子共振。這些共振與入射光的頻率相匹配時(shí)，會(huì)導(dǎo)致金屬表面及其附近的電磁場(chǎng)顯著增強(qiáng)。當(dāng)發(fā)光材料靠近金屬納米顆粒時(shí)，其發(fā)光強(qiáng)度和效率可通過(guò)LSPR得到增強(qiáng)。

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利用納米材料

提高發(fā)光率和顏色轉(zhuǎn)換效率

1.銀納米粒子：通過(guò)在發(fā)光二極管（LED）的表面和側(cè)壁上涂覆銀納米顆粒（Ag NPs），使得銀納米顆粒的吸收共振峰與 LED 的發(fā)射波長(zhǎng)達(dá)成高度匹配，并利用LSP共振來(lái)提高微發(fā)光二極管（Micro-LED）的發(fā)光效率。利用銀納米顆粒提高基于氮化鎵的藍(lán)色微發(fā)光二極管的發(fā)光率示意圖

2.二氧化鈦納米粒子：據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，TiO2納米顆粒的散射效應(yīng)能夠使發(fā)光強(qiáng)度提高10%以上。如下圖所示，添加 TiO2后量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率發(fā)生了顯著提高，這表明，量子點(diǎn)與一些納米材料的結(jié)合可能會(huì)提高其量子產(chǎn)率，并實(shí)現(xiàn)更好的顏色轉(zhuǎn)換效果。（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖；添加TiO?納米顆粒后，紅、綠量子點(diǎn)的（b）量子產(chǎn)率和（c）外量子效率隨量子點(diǎn)厚度的變化

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利用納米結(jié)構(gòu)

提高發(fā)光率和顏色轉(zhuǎn)換效率

1.納米環(huán)結(jié)構(gòu)：研究人員通過(guò)調(diào)整納米環(huán)的寬度，從而調(diào)整了納米環(huán)LED 的發(fā)射波長(zhǎng)，使得在同一外延片上能夠?qū)崿F(xiàn)四種不同顏色的發(fā)射。這一成功實(shí)踐不僅解決了因改善LED 外延層內(nèi)部極化場(chǎng)而導(dǎo)致的內(nèi)量子效率（IQE）下降的問(wèn)題， 還為實(shí)現(xiàn)全彩微發(fā)光二極管提供了新的思路。

納米環(huán)LED的SEM圖像

2.納米孔結(jié)構(gòu)：在LED表面蝕刻納米孔陣列至有源區(qū)， 可實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)或金屬納米顆粒與多量子阱的有效接觸，而納米孔的引入通過(guò)空腔效應(yīng)增強(qiáng)了發(fā)光效果。此外，這些納米孔陣列不會(huì)影響P型氮化鎵（P-GaN）表面的導(dǎo)電性，還可以采用傳統(tǒng)方法制備金屬電極。

含銀納米顆粒的納米孔LED與普通LED的電致發(fā)光光譜對(duì)比圖

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挑戰(zhàn)與前景

微發(fā)光二極管作為未來(lái)新型顯示技術(shù)的代表，正旨在于通過(guò)納米材料實(shí)現(xiàn)高亮度，并為全彩化提供新的途徑；通過(guò)引入納米結(jié)構(gòu)，從改變LED器件光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能的角度提高其發(fā)光率、顏色轉(zhuǎn)換效率以及穩(wěn)定性。

但是，納米顆粒與結(jié)構(gòu)也因自身的局限性限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用，例如金屬納米顆粒容易氧化，大量聚焦時(shí)會(huì)導(dǎo)致其電荷能量的轉(zhuǎn)移，造成整體熒光猝滅；納米結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用時(shí)因?yàn)闋奚喈?dāng)大的有效面積導(dǎo)致整體發(fā)光率的下降。

此外，除了顯示應(yīng)用之外，由于微發(fā)光二極管(Micro-LED）具有超快的光脈沖和極高的調(diào)制帶寬，其在可見(jiàn)光領(lǐng)域也具有巨大的潛力。美能顯示將持續(xù)關(guān)注微發(fā)光二極管的不斷發(fā)展，成為推動(dòng)顯示技術(shù)進(jìn)步的堅(jiān)實(shí)后盾，助力這一新興技術(shù)的不斷成熟，走向更廣闊的的市場(chǎng)。

原文出處:《Advancements in Micro-LED Performance through Nanomaterials and Nanostructures: A Review》

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