由美國和韓國研究人員組成的國際研究團隊發表一種新型的nanoLED,具有前所未有的亮度級(超過80,000cd/m2),可同時用於作為光發射器與光探測器。

這項研究成果發表於《科學》(Science)期刊中,研究人員在「雙異質接面奈米棒光響應LED實現顯示器應用」(Double-heterojunction nanorod light-responsive LEDs for display applications)一文中預期,雙模LED能夠實現新型的互動顯示器。這種經全溶液處理的雙異質接面奈米棒(DHNR)光響應LED包括量子點直接在奈米棒中接觸兩種不同的半導體材料。在此配置下,量子點根據電壓偏置,可增強輻射複合(有利於LED)或導致光生載子的有效分離。

20170310 nanoLED NT01P1 DHNR (右)的放大影像,位於左側白色虛線區域內

在這些非等向奈米棒中的分層結構可以分別單獨調整,以便在單一元件中微調重組與電荷分離,從而使單個奈米棒夠電致發光,並產生光電流。一旦在兩電極之間適當地堆疊這種奈米棒,可經由簡單地改變電壓偏置(正向或反向),將奈米棒配置成為在發光模式與光偵測模式之間切換的畫素。

該元件據稱擁有低導通電壓(約1.7V),以及超過80,000cd/m 2的最大亮度,並可在顯示器相關亮度方面表現出低偏壓和高效率。研究人員還發佈該元件在2.5V偏壓下,能以1000 cd/m2的亮度支援8.0%的外部量子效率。

但在另一項實驗中,研究人員操作10×10畫素的DHNR-LED陣列,作為現場光偵測器(在反向壓下),並結合一個可提供正向偏置至任何畫素偵測入射光的電路板。

20170310 nanoLED NT01P2 DHNR-LED的能帶圖以及光發射(橘色箭號)和偵測(藍色箭號)的電荷流動方向,以及DHNR示意圖

藉由以次毫秒級的時間交替正向和反向偏壓,它們能夠在照明陣列時,連續「讀取」光偵測畫素。

該實驗讓研究人員認為,透過整合簡單的控制電路將任何偵測到的訊號轉換為亮度調整,即可輕易地實現幾項新的顯示特性。

例如,可以因應外部光強度的變化而自動調整亮度。但是,由於光偵測可在畫素級執行,補償螢幕上的陰影,或偵測到手指接近並被解讀為新的免觸控指令。

研究人員想像這種DHNR-LED的單個畫素感測能力,還可以支援螢幕的直接成像或掃描。DHNR-LED雙發光和光檢測操作模式的另一種可能應用是將緊密耦合的LED顯示器(實際上是大型nanoLED陣列),轉換成大規模的平行資料通訊和處理元件,執行顯示器-顯示器的直接資料通訊。

此外,DHNR光響應LED中的光偵測類似於光電(PV)效應,顯示器可從環境光源採集或清除能量,而不需要整合分離的太陽能電池,而使顯示器更高效。研究論中的最後一種使用案例也在實驗中證明可將LED耦合至超級電容器。

主導這項研究的美國伊利諾伊大學教授Moonsub Shim表示,「我們已經與Dow Chemical合作,共同為這項技術申請專利了,因此,未來將會帶來一定的商業利益。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Light-responsive LEDs could re-invent displays,by Julien Happich)