自人類學會使用火以來，便想法設法地追求光明……古有夸父追日的傳說，今有愛迪生嘗試上千種的材料，以尋找合適的發(fā)光材料，人類的追逐光明的方式，發(fā)生了翻天覆地的變化。從最早的白熾燈，日光燈，到今天的節(jié)能燈，LED到OLED，這些無不向著更加節(jié)能高效的方向發(fā)展……

這不，時至今日，人們仍然在追求更加節(jié)能、環(huán)保和高效的發(fā)光材料，比如說Micro-LED、量子點等等。巧了不是，最新一期的Nature上同時發(fā)布了兩篇有關發(fā)光材料的文章。

1. 膠體量子點的電驅動放大自發(fā)輻射

膠體量子點(QDs)是實現溶液可加工激光二極管的有吸引力的材料，可以受益于尺寸控制的發(fā)射波長，低光增益閾值以及易于與光子和電子電路集成。

然而，這種器件的實現受到，增益有源多載流子態(tài)的快速俄歇復合、高電流密度下量子點薄膜穩(wěn)定性差以及在薄電致發(fā)光量子點層與光學損耗電荷導電層結合的復雜器件堆棧中難以獲得凈光學增益的阻礙。

在此，來自美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Victor I. Klimov等研究者解決了以上這些挑戰(zhàn)，實現了電泵膠體量子點的放大自發(fā)發(fā)射(ASE)。所開發(fā)的器件使用緊湊、連續(xù)梯度的量子點，抑制俄歇復合，將其結合到脈沖、高電流密度電荷注入結構中，并輔以低損耗光子波導。

這些膠體QD ASE二極管具有強大的寬帶光學增益和明亮的邊緣發(fā)射，瞬時功率高達170 μW。相關論文以題為“Electrically driven amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots”于2023年05月03日發(fā)表在Nature上。

圖1. 膠體量子點的電驅動放大自發(fā)輻射

本研究使用的光學增益介質基于修訂版的連續(xù)漸變量子點（cg-QDs），其類似于研究者先前介紹的CdSe/Cd_1?xZn_xSe cg-QDs，但其分級層的厚度更小。

這些“緊湊型”cg-QDs（簡稱為ccg-QDs）由2.5nm半徑的CdSe核、2.4nm厚的分級Cd_1?xZn_xSe層以及由ZnSe_0.5S_0.5和ZnS層組成的最終保護殼組成，其中ZnSe_0.5S_0.5層和ZnS層的厚度分別為0.9nm和0.2nm（圖1a）。

盡管其厚度減小了，但是緊湊的分級殼層可以高效地抑制奧格耳衰減，從而導致長的雙激子奧格耳壽命（τ_XX,A=1.9 ns）和相應高的雙激子發(fā)射量子效率為38%。緊湊的分級殼層還產生了強烈的發(fā)射核的非對稱壓縮，將光-重空穴分裂（Δ_lh-hh）增加到約56meV，這阻礙了帶邊重空穴態(tài)的熱去除，從而降低了光學增益閾值。

圖2. 參考器件和BRW器件的導光模式

圖3. BRW器件中的電驅動ASE

圖4. BRW器件的輸出特性

2. 用于下一代顯示器的 RGB microLEDs的并行自組裝

與有機發(fā)光二極管(OLED)相比，MicroLED顯示器具有壽命長、亮度高等優(yōu)點，作為下一代顯示器備受關注。因此，MicroLED技術正在商業(yè)化應用于諸如數字標牌之類的大屏幕顯示器，同時正在積極開展研發(fā)項目，用于增強現實、柔性顯示器和生物成像等其他應用。

然而，需要克服轉移技術方面的重大障礙，即高吞吐量、高良率和高達第10代(2,940×3,370 mm²)玻璃尺寸的生產可擴展性，以便MicroLED能夠進入主流產品市場，并與液晶顯示器和OLED顯示器競爭。

在此，來自韓國LG電子材料與器件先進研究中心的Wonjae Chang & Jeong Soo Lee等研究者提出了一種新的基于流體自組裝(FSA)技術的轉移方法，稱為磁力輔助介電泳自組裝技術(MDSAT)。

該方法結合了磁力和介電泳(DEP)力，在15分鐘內實現了99.99%的紅、綠、藍(RGB) LED同時轉移率。通過在MicroLED中嵌入鎳(一種鐵磁性材料)，通過磁鐵控制其運動，并通過施加以受體孔為中心的局部DEP力，這些MicroLED被有效地捕獲并組裝在受體位點。

此外，通過MicroLED和受體之間的形狀匹配，證明了RGB led的并發(fā)組裝。最后，制作了一個發(fā)光面板，顯示了無損傷的轉移特性和均勻的RGB電致發(fā)光發(fā)射，證明了研究者的MDSAT方法是一種優(yōu)秀的轉移技術候選，可用于主流商業(yè)產品的大批量生產。

相關論文以題為“Concurrent self-assembly of RGB microLEDs for next-generation displays”于2023年05月03日發(fā)表在Nature上。

圖1. MDSAT流體裝配過程示意圖以及COMSOL模擬計算的DEP和磁力分布圖

在這項研究中，研究者首先分析了MicroLED在接收孔表面相對于不同角度接近時所受DEP力的移動情況。MicroLED是一個直徑為38μm的GaN基礎圓盤，具有兩個明顯的特征：底部有一層金屬層（Ti），側壁和頂部有一層封裝層，如圖2a頂部插圖所示。

研究者采用有限元法的COMSOL仿真方法研究了MicroLED和接收孔之間的DEP力，通過在MicroLED表面整合麥克斯韋應力張量來完成。當一個粒子的感應偶極與非均勻電場相互作用時，DEP力會導致粒子移動。粒子的移動方向取決于Clausius-Mossotti因子的符號，當該因子為正或負時，粒子相應地被電場強度最大值所吸引或排斥。

圖2. DEP 力對微發(fā)光二極管組裝行為和轉移率的影響

圖3. 形狀不匹配缺陷的顯微鏡圖像和示意圖，以及DEP力和傳遞產率隨受體孔高度的變化

圖4. 無源矩陣MicroLED面板圖像、I-V特性和RGB光譜

Ahn, N., Livache, C., Pinchetti, V.?et al.?Electrically driven amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots.?Nature?617, 79–85 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05855-6

Chang, W., Kim, J., Kim, M.?et al.?Concurrent self-assembly of RGB microLEDs for next-generation displays.?Nature?(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05889-w

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05855-6

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05889-w