自人類學(xué)會使用火以來，便想法設(shè)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(shí)至今日，人們?nèi)匀辉谧非蟾庸?jié)能、環(huán)保和高效的發(fā)光材料，比如說Micro-LED、量子點(diǎn)等等。巧了不是，最新一期的Nature上同時(shí)發(fā)布了兩篇有關(guān)發(fā)光材料的文章。

1. 膠體量子點(diǎn)的電驅(qū)動放大自發(fā)輻射

膠體量子點(diǎn)(QDs)是實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)受到，增益有源多載流子態(tài)的快速俄歇復(fù)合、高電流密度下量子點(diǎn)薄膜穩(wěn)定性差以及在薄電致發(fā)光量子點(diǎn)層與光學(xué)損耗電荷導(dǎo)電層結(jié)合的復(fù)雜器件堆棧中難以獲得凈光學(xué)增益的阻礙。

在此，來自美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的Victor I. Klimov等研究者解決了以上這些挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了電泵膠體量子點(diǎn)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(diǎn)，抑制俄歇復(fù)合，將其結(jié)合到脈沖、高電流密度電荷注入結(jié)構(gòu)中，并輔以低損耗光子波導(dǎo)。

這些膠體QD ASE二極管具有強(qiáng)大的寬帶光學(xué)增益和明亮的邊緣發(fā)射，瞬時(shí)功率高達(dá)170 μW。相關(guān)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(diǎn)的電驅(qū)動放大自發(fā)輻射

本研究使用的光學(xué)增益介質(zhì)基于修訂版的連續(xù)漸變量子點(diǎn)（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(hù)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(dǎo)致長的雙激子奧格耳壽命（τ_XX,A=1.9 ns）和相應(yīng)高的雙激子發(fā)射量子效率為38%。緊湊的分級殼層還產(chǎn)生了強(qiáng)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(xué)增益閾值。

圖2. 參考器件和BRW器件的導(dǎo)光模式

圖3. BRW器件中的電驅(qū)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(jī)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(diǎn)，作為下一代顯示器備受關(guān)注。因此，MicroLED技術(shù)正在商業(yè)化應(yīng)用于諸如數(shù)字標(biāo)牌之類的大屏幕顯示器，同時(shí)正在積極開展研發(fā)項(xiàng)目，用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、柔性顯示器和生物成像等其他應(yīng)用。

然而，需要克服轉(zhuǎn)移技術(shù)方面的重大障礙，即高吞吐量、高良率和高達(dá)第10代(2,940×3,370 mm²)玻璃尺寸的生產(chǎn)可擴(kuò)展性，以便MicroLED能夠進(jìn)入主流產(chǎn)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(jìn)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(shù)的轉(zhuǎn)移方法，稱為磁力輔助介電泳自組裝技術(shù)(MDSAT)。

該方法結(jié)合了磁力和介電泳(DEP)力，在15分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)了99.99%的紅、綠、藍(lán)(RGB) LED同時(shí)轉(zhuǎn)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(yùn)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(diǎn)。

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(gè)發(fā)光面板，顯示了無損傷的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移技術(shù)候選，可用于主流商業(yè)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。

相關(guān)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(jì)算的DEP和磁力分布圖

在這項(xiàng)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(shí)所受DEP力的移動情況。MicroLED是一個(gè)直徑為38μm的GaN基礎(chǔ)圓盤，具有兩個(gè)明顯的特征：底部有一層金屬層（Ti），側(cè)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(yīng)力張量來完成。當(dāng)一個(gè)粒子的感應(yīng)偶極與非均勻電場相互作用時(shí)，DEP力會導(dǎo)致粒子移動。粒子的移動方向取決于Clausius-Mossotti因子的符號，當(dāng)該因子為正或負(fù)時(shí)，粒子相應(yīng)地被電場強(qiáng)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(zhuǎn)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(chǎn)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