臺面尺寸小于100 微米的微發光二極管（Micro-LED），與液晶顯示器（LCD）和有機發光二極管（OLED）等主流顯示技術相比，具有響應速度快、壽命長、亮度高和可靠性強等優點。特別是隨著近年來增強現實（AR）/虛擬現實（VR）技術的不斷發展，Micro-LED有望成為下一代顯示技術的核心，美能顯示作為行業內領先的顯示技術檢測公司，始終密切關注著核心材料的最新應用及動態。

由于制造成本高和外量子效率（EQE）低等問題，Micro-LED尚未真正實現商業化。針對此類問題，研究人員致力于通過改進納米材料和納米結構來提高微發光二極管（Micro-LED）的發光率和顏色轉換效率（CCE）。

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Micro-LED的局限性

微發光二極管（Micro-LED）的低發光率和外量子效率（EQE）主要歸因于尺寸效應。在傳統的大尺寸發光二極管中，側壁面積占整體發光面積的比例很小，側壁缺陷對整體性能的影響微乎其微。然而，隨著臺面尺寸的縮小，Micro-LED的側壁效應變得更加顯著。當前微發光二極管的實際功耗比預期的更為嚴重，甚至高于有機發光二極管（OLED）。

另外，由于基于氮化鎵（GaN）的微發光二極管的折射率較高，光的逃逸角僅為23°，這意味著在有源區生成的光子在出射界面處容易發生全內反射，導致僅有4%的光能被提取出來。

納米材料及結構提高Micro-LED發光效率和顏色轉換效率（CCE）示意圖

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非輻射能量轉移（NRET）

光從量子阱發出，照射到量子點上，量子點吸收光子能量進行輻射躍遷，并發射低頻光子。這種通過光激發的能量轉移過程被稱為輻射能量轉移。在此過程中造成的浪費，會導致在吸收轉換過程中光子的有效利用率降低，因此，將非輻射能量轉移（NRET）機制引入量子點發光二極管（QD-LEDs）以提高顏色轉換效率CCE。

（a）NRET 原理示意圖;（b）金屬納米粒子與量子阱之間的LSPR示意圖;（c）金屬納米粒子與量子點之間的LSPR示意圖

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局域表面等離子共振（LSPR）

當金屬材料的尺寸遠小于入射光的波長時，在光波電場的作用下，粒子表面的電子云相對于原子核發生位移，從而形成局域等離子共振。這些共振與入射光的頻率相匹配時，會導致金屬表面及其附近的電磁場顯著增強。當發光材料靠近金屬納米顆粒時，其發光強度和效率可通過LSPR得到增強。

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利用納米材料

提高發光率和顏色轉換效率

1.銀納米粒子：通過在發光二極管（LED）的表面和側壁上涂覆銀納米顆粒（Ag NPs），使得銀納米顆粒的吸收共振峰與 LED 的發射波長達成高度匹配，并利用LSP共振來提高微發光二極管（Micro-LED）的發光效率。利用銀納米顆粒提高基于氮化鎵的藍色微發光二極管的發光率示意圖

2.二氧化鈦納米粒子：據實驗表明，TiO2納米顆粒的散射效應能夠使發光強度提高10%以上。如下圖所示，添加 TiO2后量子點的量子產率發生了顯著提高，這表明，量子點與一些納米材料的結合可能會提高其量子產率，并實現更好的顏色轉換效果。（a）器件結構示意圖；添加TiO?納米顆粒后，紅、綠量子點的（b）量子產率和（c）外量子效率隨量子點厚度的變化

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利用納米結構

提高發光率和顏色轉換效率

1.納米環結構：研究人員通過調整納米環的寬度，從而調整了納米環LED 的發射波長，使得在同一外延片上能夠實現四種不同顏色的發射。這一成功實踐不僅解決了因改善LED 外延層內部極化場而導致的內量子效率（IQE）下降的問題， 還為實現全彩微發光二極管提供了新的思路。

納米環LED的SEM圖像

2.納米孔結構：在LED表面蝕刻納米孔陣列至有源區， 可實現量子點或金屬納米顆粒與多量子阱的有效接觸，而納米孔的引入通過空腔效應增強了發光效果。此外，這些納米孔陣列不會影響P型氮化鎵（P-GaN）表面的導電性，還可以采用傳統方法制備金屬電極。

含銀納米顆粒的納米孔LED與普通LED的電致發光光譜對比圖

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挑戰與前景

微發光二極管作為未來新型顯示技術的代表，正旨在于通過納米材料實現高亮度，并為全彩化提供新的途徑；通過引入納米結構，從改變LED器件光學、電學和熱學性能的角度提高其發光率、顏色轉換效率以及穩定性。

但是，納米顆粒與結構也因自身的局限性限制了其在工業上的應用，例如金屬納米顆粒容易氧化，大量聚焦時會導致其電荷能量的轉移，造成整體熒光猝滅；納米結構在實際使用時因為犧牲相當大的有效面積導致整體發光率的下降。

此外，除了顯示應用之外，由于微發光二極管(Micro-LED）具有超快的光脈沖和極高的調制帶寬，其在可見光領域也具有巨大的潛力。美能顯示將持續關注微發光二極管的不斷發展，成為推動顯示技術進步的堅實后盾，助力這一新興技術的不斷成熟，走向更廣闊的的市場。

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

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