臺面尺寸小于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、亮度高和可靠性強等優(yōu)點。特別是隨著近年來增強現(xiàn)實（AR）/虛擬現(xiàn)實（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)檢測公司，始終密切關(guān)注著核心材料的最新應(yīng)用及動態(tài)。

由于制造成本高和外量子效率（EQE）低等問題，Micro-LED尚未真正實現(xiàn)商業(yè)化。針對此類問題，研究人員致力于通過改進納米材料和納米結(jié)構(gòu)來提高微發(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）主要歸因于尺寸效應(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)壁缺陷對整體性能的影響微乎其微。然而，隨著臺面尺寸的縮小，Micro-LED的側(cè)壁效應(yīng)變得更加顯著。當(dāng)前微發(fā)光二極管的實際功耗比預(yù)期的更為嚴重，甚至高于有機發(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。

納米材料及結(jié)構(gòu)提高Micro-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，照射到量子點上，量子點吸收光子能量進行輻射躍遷，并發(fā)射低頻光子。這種通過光激發(fā)的能量轉(zhuǎn)移過程被稱為輻射能量轉(zhuǎn)移。在此過程中造成的浪費，會導(dǎo)致在吸收轉(zhuǎn)換過程中光子的有效利用率降低，因此，將非輻射能量轉(zhuǎn)移（NRET）機制引入量子點發(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)金屬材料的尺寸遠小于入射光的波長時，在光波電場的作用下，粒子表面的電子云相對于原子核發(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，會導(dǎo)致金屬表面及其附近的電磁場顯著增強。當(dāng)發(fā)光材料靠近金屬納米顆粒時，其發(fā)光強度和效率可通過LSPR得到增強。

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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)射波長達成高度匹配，并利用LSP共振來提高微發(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)實驗表明，TiO2納米顆粒的散射效應(yīng)能夠使發(fā)光強度提高10%以上。如下圖所示，添加 TiO2后量子點的量子產(chǎn)率發(fā)生了顯著提高，這表明，量子點與一些納米材料的結(jié)合可能會提高其量子產(chǎn)率，并實現(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、綠量子點的（b）量子產(chǎn)率和（c）外量子效率隨量子點厚度的變化

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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，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。這一成功實踐不僅解決了因改善LED 外延層內(nèi)部極化場而導(dǎo)致的內(nèi)量子效率（IQE）下降的問題， 還為實現(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)， 可實現(xiàn)量子點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空腔效應(yīng)增強了發(fā)光效果。此外，這些納米孔陣列不會影響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)光光譜對比圖

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挑戰(zhàn)與前景

微發(fā)光二極管作為未來新型顯示技術(shù)的代表，正旨在于通過納米材料實現(xiàn)高亮度，并為全彩化提供新的途徑；通過引入納米結(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，大量聚焦時會導(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)在實際使用時因為犧牲相當(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，成為推動顯示技術(shù)進步的堅實后盾，助力這一新興技術(shù)的不斷成熟，走向更廣闊的的市場。

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

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