北京大学物理学院朱瑞、龚旗煌等在《自然评论材料》发表展望论文
2024/04/11
901近日，北京大学物理学院现代光学研究所极端光学创新研究团队的朱瑞研究员、龚旗煌院士与利亚德光电股份有限公司合作，在《自然评论材料》（Nature Reviews Materials）上发表题为《迈向微型钙钛矿发光二极管显示技术》（“Towards micro-PeLED displays”）的展望（perspective）论文，深入探讨并总结了钙钛矿发光二极管微型化、图案化的优势及发展潜力，并有针对性地分析了micro-PeLED（微型钙钛矿发光二极管）显示面临的关键挑战及未来发展的技术路线。
PeLED（钙钛矿发光二极管）是当下光电领域的研究热门。相较于传统LED（发光二极管）中的GaN基发光材料，钙钛矿材料拥有可溶液加工、成本低廉、发光波长易调等优势，基于钙钛矿发光层的PeLED效率记录已接近29%，极具发展潜力。PeLED微型化将有可能规避传统micro-LED中常见的纳米刻蚀损伤、巨量转移等工艺难题；同时，相较于PeLED中常见的钙钛矿薄膜发光层，纳米级独立微晶是目前最高效率红、绿、蓝及近红外PeLED的主要发光层结构形式。已有报道也证实，不断缩小发光单元将是PeLED效率突破的关键发展趋势。因此，micro-PeLED有望成为实现超清显示应用的理想技术路线之一。
鉴于此，研究团队基于已有的研究基础，对 “迈向微型钙钛矿发光二极管显示技术” 这一主题进行深入探讨与展望。该展望文章主要包括以下几个方面：首先，深入分析并系统总结了目前高性能PeLED器件的特征、共性及效率提升关键点，并充分论证了PeLED器件微型化的独特优势；其次，综述分析了当前六大钙钛矿图案化技术最新进展及优势对比，并总结了已报道micro-PeLED的结构趋势及发展潜力；最后，在展望部分，前瞻性地提出三大针对micro-PeLED显示发展的技术路线。
图1.高性能PeLED器件的优化策略
由于micro-PeLED是PeLED的微型化器件，发展制备高质量钙钛矿发光阵列及micro-PeLED器件可以从当前高性能PeLED的制备方法中获得规律及灵感。文章筛选并讨论了当前三种高效率PeLED的优化策略（相均一化、缺陷钝化、取向出光），通过实例说明钙钛矿活性层从薄膜到纳米晶块的微缩化发展趋势。同时，对比传统LED，强调了钙钛矿微缩化提升发光效率的优势。最后，文章总结得出高质量钙钛矿发光层的发展趋势为：单晶化、阵列化、独立化（图1）。
图2.钙钛矿图案化技术对比
文章还综述讨论了当前六大类钙钛矿图案化技术（喷墨打印、光直写、纳米压印、基底预图案、模板辅助、激光刻蚀）的最新研究进展，分析对比了各图案化技术在分辨率、可扩展性、加工损伤、成本、加工效率、技术柔性六个维度的能力分布，从中筛选纳米压印与基底预图案为最具潜力的钙钛矿微型化技术方案，并评论了各图案化技术未来的发展方向（图2）。
图3. micro-PeLED研究进展
虽然钙钛矿图案化、阵列化技术发展迅速，但受限于器件工艺的成熟度不足，相关micro-PeLED的报道很少。因此，文章系统总结了目前已报道的两大类micro-PeLED器件、参数以及相关制备工艺，对比并提出微电极控制的自发光micro-PeLED将可能是未来超清显示技术的终极形态（图3）。
图4. micro-PeLED未来发展技术路线
最后，针对micro-PeLED新型显示的发展，结合钙钛矿发光材料的特性，文章首次提出了全彩化、微电路集成、发光单元纳米化三大技术路线，并具有前瞻性地给出了技术路线的具体实施方案，同时，对该新兴方向的未来发展进行了展望（图4）。
总的来说，该展望为钙钛矿图案化、微缩化工艺及micro-PeLED器件制备技术提供了理论总结与指导，也为开展实验工作提供了参考借鉴，对进一步开发钙钛矿发光器件潜力、推动该新型钙钛矿显示技术产业化应用有重要意义。
北京大学联合培养企业博士后杨晓宇为该论文第一作者，朱瑞和利亚德智能显示研究院院长卢长军为通讯作者，北京大学和利亚德光电股份有限公司为通讯单位。
该工作得到了国家自然科学基金委、北京市自然科学基金、国家重点研发计划、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心等单位的支持。
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