用于多功能显示器的新型光响应LED

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

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©Oh 等人, 2017

双功能纳米棒LED不仅能发光,同时还能检测光,这种颠覆未来的新技术即将开启下一代智能设备显示器之门。搭载光响应LED显示器的智能手机和其他设备很快就能够实现全新的用户界面功能,比如手势控制、根据环境照明自动调光以及自动充电功能等。

来自美国伊利诺伊大学香槟分校以及美国陶氏化学电子材料事业部的多国研究人员小组提出了一种微小异质结构纳米棒和发光量子点技术,这种器件既可以用作光电传感器,也可以用作发光二极管——取决于偏置电流方向。这种基于量子点的设备可以收集光、发光并处理信息。纳米棒LED由多种半导体组成,这使得器件可以在发射和检测之间快速切换,以实现这两种功能。

双异质结纳米棒(DHNR)光响应LED的长度大约为50纳米,直径为5纳米,比一根头发丝还细一千倍。这些纳米棒内的量子点与两种不同半导体材料直接接触。而且,它们由三种半导体材料制成。第一种能够发射并吸收可见光。另外两种材料控制电荷如何通过第一种材料。把这些材料整合在一起,LED就可以发光、感测光和响应光。要发光并检测光,每个LED都必须在打开和关闭之间切换,然而,这种转换的频率非常高,对于人眼来说,显示器不存在任何卡顿。

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图1 DHNR的低倍和高倍扫描透射电子显微镜图像&左侧白色虚线框的放大图像。/ ©Oh等人,2017

DHNR的结构细节需要CdS、CdSe和ZnSe。其中,微小的半导体纳米棒由硫化镉(CdS)制成,然后用发光硒化镉(CdSe)——能隙较小的半导体——量子点(QD)覆盖。而CdSe端又用硒化锌(ZnSe)——能隙较大的半导体——进行封装。凭借其结构,DHNR可以充当电荷分离和重组中心。具有微调电荷分离和重组能力的DHNR还能够同时在单个器件中实现光电流生成和电致发光功能。

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图210×10 DHNR-LED阵列原理图/ ©Oh等人,2017

DHNR堆叠在电极之间后,可以被布置成像素阵列,如果偏压由正向改为反向,那么LED就可以在发光和光检测模式之间切换。这种方案处理型DHNR-LED的优势如下:低导通电压(约1.7 V);窄带宽(<30 nm);最大亮度 >80,000 cd/m2。DHNR-LED在显示相关亮度方面也具有低偏压和高效率特性。偏压为2.5 V、照度为1000 cd/m2时,其外部量子效率为8.0%。

DHNR-LED还可以在零偏压或反向偏压下用作光电探测器。我们来看一个简单的例子:用激光笔照射一个10×10的像素阵列。通过编程,电路板可为向零偏压检测入射光的任何像素提供正向偏压。然后,来自激光笔的信号被LED阵列空间分解,实现在显示器上的一种“写入”动作。这个简单的控制电路可以将任何检测到的信号转换成期望的响应,比如亮度调节。因此,这种LED能够将像素级的光检测或者靠近手指或触控笔产生的阴影转换为新的非接触命令。

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图3白色LED灯泡接近时,单像素级别的自动亮度控制/ ©Oh等人,2017

 

 

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图4不断靠近的手指阻挡周围光线时的自动亮度控制响应/ ©Oh等人,2017

 

 

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图5蓝色激光笔照射在10×10光响应LED像素阵列上/ ©Oh等人,2017

 

 

其中之一就是通过光伏效应实现的光检测功能。大气质量(AM)1.5照度下产生的光电流可以实现0.2C%的功率转换效率。该数值被测器件中比较普遍,最高为0.3%。四个器件在光伏模式下为超级电容器充电,然后电容反过来可以为LED模式下的相同器件供电。DHNR光响应LED的光检测功能类似于光伏效应,能够让显示器收集或清除周围光源的能量,不需要整合分离的太阳能电池,这使得显示器更加高效。

LED的双运行模式开启了更多的可能性。凭借独立的像素感测功能,我们可以实现直接成像或屏幕扫描。双模式还可以将紧密耦合的LED显示器转换成大规模并行数据通信,从而实现显示器到显示器的直接数据通信。即使像蓝牙这种设备到设备的通信也会变得更快,两个面对面的LED阵列有多少像素,就可以用多少像素同时通信。

 

 

DHNR-LED的感测能力使得全新非接触用户界面设计以及利用显示屏直接成像成为可能。研究人员补充道,双模运行的长期稳定性似乎很有希望,“初始亮度为1067 cd/m2,占空比为50%,连续运行65小时后亮度和光响应功能均无明显下降。”其响应时间比传统显示器要短得多,所以这种运行模式不仅可以增强现有功能,而且还会完全重新定义显示器及其功能和多任务处理能力。这种显示器可以用于光电子白板或光笔响应平板电脑,这意味着我们将会实现前所未有的全新通信、绘图和艺术创作模式。