01 科學背景

微尺度發光二極管(micro-LED)正在成為一種新一代顯示技術，具有高分辨率、高亮度和高響應速度的特點，在光通信、增強或虛擬現實以及可穿戴設備中至關重要。最初，III-V族半導體因其高發射效率和穩定性而被提議用于構建micro-LED顯示器。然而，它們的實際應用面臨限制，因為(1)伴隨像素小型化導致的效率下降，這使得像素尺寸的下限約為30 μm，以及(2)可擴展性中等，受到低效的傳輸技術的阻礙。這些挑戰促使人們探索替代材料系統，例如金屬鹵化物鈣鈦礦和膠體量子點，這些系統為高分辨率圖案化和可擴展制造提供了潛力。其中，鈣鈦礦材料以其較長的載流子擴散長度和較高的發射效率而著稱，這使得薄膜器件的電致發光(EL)效率達到了創紀錄的28.9%。盡管如此，這些器件中鈣鈦礦的多晶性質導致表面不穩定、發射不均勻和電子傳輸效率低下，這與微型LED配置不兼容。

與多晶鈣鈦礦相比，單晶鈣鈦礦表現出數量級的缺陷密度抑制和提高的載流子遷移率。對于Micro-LED應用，需要將上述優點與亞微米厚度集成在一起以實現高效的輻射復合，并具有大面積連續膜以實現高效的載流子傳輸的單晶薄膜。外延是一種通過晶格匹配生長取向單晶薄膜的技術，在半導體工業中至關重要。該策略已被引入鈣鈦礦中，用于生長用于器件應用的晶體薄膜。然而，以前的方法，例如溶液處理同質外延、范德華(vdW)外延和原子異質外延，都受到中等晶粒尺寸和/或轉移過程中不可避免的材料損壞的限制。遠程外延是一種利用范德華中間層同時實現外延生長和外延層釋放的策略，它促進了III-V族半導體、復合氧化物和鈣鈦礦的大規模制造和高效轉移，并應用于器件。為了將遠程外延鈣鈦礦集成到微型LED中，需要具有消除晶粒邊界、大面積和亞微米厚度的外延膜，而這尚未實現。

02 創新成果

中國科學院理化技術研究所吳雨辰研究員、吉林大學邱宇辰研究員、中國科學技術大學鳳建崗研究員等研究人員報道了由遠程外延結晶鈣鈦礦薄膜構建的微型LED顯示器。利用石墨烯中間層和藍寶石襯底，實現了面積為4 cm2的鈣鈦礦薄膜的遠程外延生長，消除了晶界和純平面外晶體取向，從而可以快速從襯底上釋放并集成到LED設備中。這些獨立的鈣鈦礦薄膜支持微型LED，其外部量子效率(EQE)高達16.7%，亮度為4.0 × 105?cd m-2，顯示分辨率高，最小像素尺寸可低至4 μm。這些最先進的鈣鈦礦微型LED受益于外延鈣鈦礦薄膜固有的缺陷密度抑制、電子傳導通道短、表面穩定、發光均勻和光學平坦性等獨特優勢。值得注意的是，結晶膜可以與電子背板集成，構建微型LED顯示器，每個像素均可獨立動態控制，用于靜態圖像和視頻顯示。該研究成果為外延鈣鈦礦與LED電子設備的單片集成提供了一個新平臺，用于明亮、高效和均勻的光發射，從而創建像素小于10 μm的超高分辨率微型LED顯示器。

相關研究成果2025年1月15日以“Remote epitaxial crystalline perovskites for ultrahigh-resolution micro-LED displays”為題發表在Nature Nanotechnology上。

03 核心創新點

遠程外延生長技術：研究團隊開發了一種遠程外延生長技術，通過在藍寶石基底上引入亞納米級石墨烯中間層，實現了鈣鈦礦薄膜的遠程外延生長。這種技術不僅消除了晶界，還實現了薄膜的快速釋放和無縫集成，制備出的鈣鈦礦薄膜面積達4平方厘米，且具有純的面外晶體取向。

高性能微-LED：利用這種遠程外延生長的鈣鈦礦薄膜，研究團隊制備了高性能的微-LED，其外部量子效率（EQE）達到16.7%，亮度高達4.0 × 105?cd m?2，像素尺寸可小至4微米，實現了超高分辨率顯示。

應變弛豫機制：通過石墨烯中間層，研究團隊實現了鈣鈦礦薄膜的應變弛豫，顯著提高了薄膜的晶體質量。這種應變弛豫機制不僅適用于CsPbBr3，還擴展到了其他鈣鈦礦成分，如CsPbCl1.3Br1.7，進一步拓寬了鈣鈦礦的應用范圍。

成分工程：研究團隊通過改變鹵素的化學計量比，成功調控了鈣鈦礦的成分，實現了從3.00 eV到1.94 eV的帶隙調控。這為全色微顯示技術的發展提供了可能。

04 數據概覽

圖1.用于單晶微型LED的遠程外延鈣鈦礦

圖2.CsPbBr3鈣鈦礦薄膜的遠程外延

圖3.外延鈣鈦礦的成分工程

圖4.用于微型LED的外延鈣鈦礦

05 成果啟示

這項研究報道了用于微型LED應用的取向鈣鈦礦的遠程外延生長。我們實現了16.7%的高EQE、4.0 × 105?cd m-2的高亮度和像素尺寸低至4 μm的高分辨率。這些最先進的微型LED顯示器受益于高結晶度和松弛應變以實現高性能，而鈣鈦礦外延層的快速釋放和最小損傷實現了器件集成。預計可以通過集成多個鈣鈦礦組件來構建全彩微型LED顯示器。這些外延鈣鈦礦的晶體平整度、亞波長厚度和均勻發光也有利于它們與納米光子結構（如共振超表面和光子晶體）的單片集成，以創建具有強光-物質相互作用和可編程光維度（如方向、偏振、相位和軌道角動量）的電注入光子裝置。