杀疯了！这种材料连发2篇Nature！

自人类学会使用火以来，便想法设法地追求光明……古有夸父追日的传说，今有爱迪生尝试上千种的材料，以寻找合适的发光材料，人类的追逐光明的方式，发生了翻天覆地的变化。从最早的白炽灯，日光灯，到今天的节能灯，LED到OLED，这些无不向着更加节能高效的方向发展……

这不，时至今日，人们仍然在追求更加节能、环保和高效的发光材料，比如说Micro-LED、量子点等等。巧了不是，最新一期的Nature上同时发布了两篇有关发光材料的文章。

1. 胶体量子点的电驱动放大自发辐射

胶体量子点(QDs)是实现溶液可加工激光二极管的有吸引力的材料，可以受益于尺寸控制的发射波长，低光增益阈值以及易于与光子和电子电路集成。

然而，这种器件的实现受到，增益有源多载流子态的快速俄歇复合、高电流密度下量子点薄膜稳定性差以及在薄电致发光量子点层与光学损耗电荷导电层结合的复杂器件堆栈中难以获得净光学增益的阻碍。

在此，来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Victor I. Klimov等研究者解决了以上这些挑战，实现了电泵胶体量子点的放大自发发射(ASE)。所开发的器件使用紧凑、连续梯度的量子点，抑制俄歇复合，将其结合到脉冲、高电流密度电荷注入结构中，并辅以低损耗光子波导。

这些胶体QD ASE二极管具有强大的宽带光学增益和明亮的边缘发射，瞬时功率高达170 μW。相关论文以题为“Electrically driven amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots”于2023年05月03日发表在Nature上。

图1. 胶体量子点的电驱动放大自发辐射

本研究使用的光学增益介质基于修订版的连续渐变量子点（cg-QDs），其类似于研究者先前介绍的CdSe/Cd_1−xZn_xSe cg-QDs，但其分级层的厚度更小。

这些“紧凑型”cg-QDs（简称为ccg-QDs）由2.5nm半径的CdSe核、2.4nm厚的分级Cd_1−xZn_xSe层以及由ZnSe_0.5S_0.5和ZnS层组成的最终保护壳组成，其中ZnSe_0.5S_0.5层和ZnS层的厚度分别为0.9nm和0.2nm（图1a）。

尽管其厚度减小了，但是紧凑的分级壳层可以高效地抑制奥格耳衰减，从而导致长的双激子奥格耳寿命（τ_XX,A=1.9 ns）和相应高的双激子发射量子效率为38%。紧凑的分级壳层还产生了强烈的发射核的非对称压缩，将光-重空穴分裂（Δ_lh-hh）增加到约56meV，这阻碍了带边重空穴态的热去除，从而降低了光学增益阈值。

图2. 参考器件和BRW器件的导光模式

图3. BRW器件中的电驱动ASE

图4. BRW器件的输出特性

2. 用于下一代显示器的 RGB microLEDs的并行自组装

与有机发光二极管(OLED)相比，MicroLED显示器具有寿命长、亮度高等优点，作为下一代显示器备受关注。因此，MicroLED技术正在商业化应用于诸如数字标牌之类的大屏幕显示器，同时正在积极开展研发项目，用于增强现实、柔性显示器和生物成像等其他应用。

然而，需要克服转移技术方面的重大障碍，即高吞吐量、高良率和高达第10代(2,940×3,370 mm²)玻璃尺寸的生产可扩展性，以便MicroLED能够进入主流产品市场，并与液晶显示器和OLED显示器竞争。

在此，来自韩国LG电子材料与器件先进研究中心的Wonjae Chang & Jeong Soo Lee等研究者提出了一种新的基于流体自组装(FSA)技术的转移方法，称为磁力辅助介电泳自组装技术(MDSAT)。

该方法结合了磁力和介电泳(DEP)力，在15分钟内实现了99.99%的红、绿、蓝(RGB) LED同时转移率。通过在MicroLED中嵌入镍(一种铁磁性材料)，通过磁铁控制其运动，并通过施加以受体孔为中心的局部DEP力，这些MicroLED被有效地捕获并组装在受体位点。

此外，通过MicroLED和受体之间的形状匹配，证明了RGB led的并发组装。最后，制作了一个发光面板，显示了无损伤的转移特性和均匀的RGB电致发光发射，证明了研究者的MDSAT方法是一种优秀的转移技术候选，可用于主流商业产品的大批量生产。

相关论文以题为“Concurrent self-assembly of RGB microLEDs for next-generation displays”于2023年05月03日发表在Nature上。

图1. MDSAT流体装配过程示意图以及COMSOL模拟计算的DEP和磁力分布图

在这项研究中，研究者首先分析了MicroLED在接收孔表面相对于不同角度接近时所受DEP力的移动情况。MicroLED是一个直径为38μm的GaN基础圆盘，具有两个明显的特征：底部有一层金属层（Ti），侧壁和顶部有一层封装层，如图2a顶部插图所示。

研究者采用有限元法的COMSOL仿真方法研究了MicroLED和接收孔之间的DEP力，通过在MicroLED表面整合麦克斯韦应力张量来完成。当一个粒子的感应偶极与非均匀电场相互作用时，DEP力会导致粒子移动。粒子的移动方向取决于Clausius-Mossotti因子的符号，当该因子为正或负时，粒子相应地被电场强度最大值所吸引或排斥。

图2. DEP 力对微发光二极管组装行为和转移率的影响

图3. 形状不匹配缺陷的显微镜图像和示意图，以及DEP力和传递产率随受体孔高度的变化

图4. 无源矩阵MicroLED面板图像、I-V特性和RGB光谱

Ahn, N., Livache, C., Pinchetti, V. et al. Electrically driven amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots. Nature 617, 79–85 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05855-6

Chang, W., Kim, J., Kim, M. et al. Concurrent self-assembly of RGB microLEDs for next-generation displays. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05889-w

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05855-6

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05889-w