雙功能納米棒LED不僅能發(fā)光，同時還能檢測光，這種顛覆未來的新技術(shù)即將開啟下一代智能設(shè)備顯示器之門。搭載光響應LED顯示器的智能手機和其他設(shè)備很快就能夠?qū)崿F(xiàn)全新的用戶界面功能，比如手勢控制、根據(jù)環(huán)境照明自動調(diào)光以及自動充電功能等。

來自美國伊利諾伊大學香檳分校以及美國陶氏化學電子材料事業(yè)部的多國研究人員小組提出了一種微小異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米棒和發(fā)光量子點技術(shù)，這種器件既可以用作光電傳感器，也可以用作發(fā)光二極管——取決于偏置電流方向。這種基于量子點的設(shè)備可以收集光、發(fā)光并處理信息。納米棒LED由多種半導體組成，這使得器件可以在發(fā)射和檢測之間快速切換，以實現(xiàn)這兩種功能。

雙異質(zhì)結(jié)納米棒（DHNR）光響應LED的長度大約為50納米，直徑為5納米，比一根頭發(fā)絲還細一千倍。這些納米棒內(nèi)的量子點與兩種不同半導體材料直接接觸。而且，它們由三種半導體材料制成。第一種能夠發(fā)射并吸收可見光。另外兩種材料控制電荷如何通過第一種材料。把這些材料整合在一起，LED就可以發(fā)光、感測光和響應光。要發(fā)光并檢測光，每個LED都必須在打開和關(guān)閉之間切換，然而，這種轉(zhuǎn)換的頻率非常高，對于人眼來說，顯示器不存在任何卡頓。

圖1DHNR的低倍和高倍掃描透射電子顯微鏡圖像&左側(cè)白色虛線框的放大圖像。

DHNR的結(jié)構(gòu)細節(jié)需要CdS、CdSe和ZnSe。其中，微小的半導體納米棒由硫化鎘（CdS）制成，然后用發(fā)光硒化鎘（CdSe）——能隙較小的半導體——量子點（QD）覆蓋。而CdSe端又用硒化鋅（ZnSe）——能隙較大的半導體——進行封裝。憑借其結(jié)構(gòu)，DHNR可以充當電荷分離和重組中心。具有微調(diào)電荷分離和重組能力的DHNR還能夠同時在單個器件中實現(xiàn)光電流生成和電致發(fā)光功能。

圖2 10×10 DHNR-LED陣列原理圖/ Oh等人，2017

DHNR堆疊在電極之間后，可以被布置成像素陣列，如果偏壓由正向改為反向，那么LED就可以在發(fā)光和光檢測模式之間切換。這種方案處理型DHNR-LED的優(yōu)勢如下：低導通電壓（約1.7V）；窄帶寬（<30?nm）；最大亮度?>80,000cd/m2。DHNR-LED在顯示相關(guān)亮度方面也具有低偏壓和高效率特性。偏壓為2.5V、照度為1000cd/m2時，其外部量子效率為8.0％。

DHNR-LED還可以在零偏壓或反向偏壓下用作光電探測器。我們來看一個簡單的例子：用激光筆照射一個10×10的像素陣列。通過編程，電路板可為向零偏壓檢測入射光的任何像素提供正向偏壓。然后，來自激光筆的信號被LED陣列空間分解，實現(xiàn)在顯示器上的一種“寫入”動作。這個簡單的控制電路可以將任何檢測到的信號轉(zhuǎn)換成期望的響應，比如亮度調(diào)節(jié)。因此，這種LED能夠?qū)⑾袼丶壍墓鈾z測或者靠近手指或觸控筆產(chǎn)生的陰影轉(zhuǎn)換為新的非接觸命令。

圖3 白色LED燈泡接近時，單像素級別的自動亮度控制

圖4 不斷靠近的手指阻擋周圍光線時的自動亮度控制響應

圖5 藍色激光筆照射在10×10光響應LED像素陣列上/ Oh等人，2017

其中之一就是通過光伏效應實現(xiàn)的光檢測功能。大氣質(zhì)量（AM）1.5照度下產(chǎn)生的光電流可以實現(xiàn)0.2C％的功率轉(zhuǎn)換效率。該數(shù)值被測器件中比較普遍，最高為0.3％。四個器件在光伏模式下為超級電容器充電，然后電容反過來可以為LED模式下的相同器件供電。DHNR光響應LED的光檢測功能類似于光伏效應，能夠讓顯示器收集或清除周圍光源的能量，不需要整合分離的太陽能電池，這使得顯示器更加高效。

LED的雙運行模式開啟了更多的可能性。憑借獨立的像素感測功能，我們可以實現(xiàn)直接成像或屏幕掃描。雙模式還可以將緊密耦合的LED顯示器轉(zhuǎn)換成大規(guī)模并行數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)顯示器到顯示器的直接數(shù)據(jù)通信。即使像藍牙這種設(shè)備到設(shè)備的通信也會變得更快，兩個面對面的LED陣列有多少像素，就可以用多少像素同時通信。

DHNR-LED的感測能力使得全新非接觸用戶界面設(shè)計以及利用顯示屏直接成像成為可能。研究人員補充道，雙模運行的長期穩(wěn)定性似乎很有希望，“初始亮度為1067cd/m2，占空比為50％，連續(xù)運行65小時后亮度和光響應功能均無明顯下降。”其響應時間比傳統(tǒng)顯示器要短得多，所以這種運行模式不僅可以增強現(xiàn)有功能，而且還會完全重新定義顯示器及其功能和多任務(wù)處理能力。這種顯示器可以用于光電子白板或光筆響應平板電腦，這意味著我們將會實現(xiàn)前所未有的全新通信、繪圖和藝術(shù)創(chuàng)作模式。

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