Micro LED微发光二极管：改进纳米材料成为下一代显示技术的核心

台面尺寸小于100 微米的微发光二极管（Micro-LED），与液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）等主流显示技术相比，具有响应速度快、寿命长、亮度高和可靠性强等优点。特别是随着近年来增强现实（AR）/虚拟现实（VR）技术的不断发展，Micro-LED有望成为下一代显示技术的核心，美能显示作为行业内领先的显示技术检测公司，始终密切关注着核心材料的最新应用及动态。

由于制造成本高和外量子效率（EQE）低等问题，Micro-LED尚未真正实现商业化。针对此类问题，研究人员致力于通过改进纳米材料和纳米结构来提高微发光二极管（Micro-LED）的发光率和颜色转换效率（CCE）。

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Micro-LED的局限性

微发光二极管（Micro-LED）的低发光率和外量子效率（EQE）主要归因于尺寸效应。在传统的大尺寸发光二极管中，侧壁面积占整体发光面积的比例很小，侧壁缺陷对整体性能的影响微乎其微。然而，随着台面尺寸的缩小，Micro-LED的侧壁效应变得更加显著。当前微发光二极管的实际功耗比预期的更为严重，甚至高于有机发光二极管（OLED）。

另外，由于基于氮化镓（GaN）的微发光二极管的折射率较高，光的逃逸角仅为23°，这意味着在有源区生成的光子在出射界面处容易发生全内反射，导致仅有4%的光能被提取出来。

纳米材料及结构提高Micro-LED发光效率和颜色转换效率（CCE）示意图

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非辐射能量转移（NRET）

光从量子阱发出，照射到量子点上，量子点吸收光子能量进行辐射跃迁，并发射低频光子。这种通过光激发的能量转移过程被称为辐射能量转移。在此过程中造成的浪费，会导致在吸收转换过程中光子的有效利用率降低，因此，将非辐射能量转移（NRET）机制引入量子点发光二极管（QD-LEDs）以提高颜色转换效率CCE。

（a）NRET 原理示意图;（b）金属纳米粒子与量子阱之间的LSPR示意图;（c）金属纳米粒子与量子点之间的LSPR示意图

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局域表面等离子共振（LSPR）

当金属材料的尺寸远小于入射光的波长时，在光波电场的作用下，粒子表面的电子云相对于原子核发生位移，从而形成局域等离子共振。这些共振与入射光的频率相匹配时，会导致金属表面及其附近的电磁场显著增强。当发光材料靠近金属纳米颗粒时，其发光强度和效率可通过LSPR得到增强。

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利用纳米材料

提高发光率和颜色转换效率

1.银纳米粒子：通过在发光二极管（LED）的表面和侧壁上涂覆银纳米颗粒（Ag NPs），使得银纳米颗粒的吸收共振峰与 LED 的发射波长达成高度匹配，并利用LSP共振来提高微发光二极管（Micro-LED）的发光效率。利用银纳米颗粒提高基于氮化镓的蓝色微发光二极管的发光率示意图

2.二氧化钛纳米粒子：据实验表明，TiO2纳米颗粒的散射效应能够使发光强度提高10%以上。如下图所示，添加 TiO2后量子点的量子产率发生了显著提高，这表明，量子点与一些纳米材料的结合可能会提高其量子产率，并实现更好的颜色转换效果。（a）器件结构示意图；添加TiO?纳米颗粒后，红、绿量子点的（b）量子产率和（c）外量子效率随量子点厚度的变化

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利用纳米结构

提高发光率和颜色转换效率

1.纳米环结构：研究人员通过调整纳米环的宽度，从而调整了纳米环LED 的发射波长，使得在同一外延片上能够实现四种不同颜色的发射。这一成功实践不仅解决了因改善LED 外延层内部极化场而导致的内量子效率（IQE）下降的问题， 还为实现全彩微发光二极管提供了新的思路。

纳米环LED的SEM图像

2.纳米孔结构：在LED表面蚀刻纳米孔阵列至有源区， 可实现量子点或金属纳米颗粒与多量子阱的有效接触，而纳米孔的引入通过空腔效应增强了发光效果。此外，这些纳米孔阵列不会影响P型氮化镓（P-GaN）表面的导电性，还可以采用传统方法制备金属电极。

含银纳米颗粒的纳米孔LED与普通LED的电致发光光谱对比图

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挑战与前景

微发光二极管作为未来新型显示技术的代表，正旨在于通过纳米材料实现高亮度，并为全彩化提供新的途径；通过引入纳米结构，从改变LED器件光学、电学和热学性能的角度提高其发光率、颜色转换效率以及稳定性。

但是，纳米颗粒与结构也因自身的局限性限制了其在工业上的应用，例如金属纳米颗粒容易氧化，大量聚焦时会导致其电荷能量的转移，造成整体荧光猝灭；纳米结构在实际使用时因为牺牲相当大的有效面积导致整体发光率的下降。

此外，除了显示应用之外，由于微发光二极管(Micro-LED）具有超快的光脉冲和极高的调制带宽，其在可见光领域也具有巨大的潜力。美能显示将持续关注微发光二极管的不断发展，成为推动显示技术进步的坚实后盾，助力这一新兴技术的不断成熟，走向更广阔的的市场。

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

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