北大物理學院在鈣鈦礦LED顯示技術領域取得重要進展

近日，北京大學物理學院現代光學研究所極端光學創新研究團隊的朱瑞研究員、龔旗煌院士與利亞德光電股份有限公司合作，在《自然評論材料》（Nature Reviews Materials）上發表題為“邁向微型鈣鈦礦發光二極管顯示技術”（Towards micro-PeLED displays）的展望（perspective）論文。

該論文深入探討并總結了鈣鈦礦發光二極管微型化、圖案化的優勢及發展潛力，并有針對性的分析了micro-PeLED（微型鈣鈦礦發光二極管）顯示面臨的關鍵挑戰及未來發展的技術路線。

PeLED（鈣鈦礦發光二極管）是當下光電領域的研究熱門。相較于傳統LED（發光二極管）中的GaN基發光材料，鈣鈦礦材料擁有可溶液加工、成本低廉、發光波長易調等優勢，基于鈣鈦礦發光層的PeLED效率記錄已接近29%，極具發展潛力。

把PeLED微型化將有可能規避傳統micro-LED中常見的納米刻蝕損傷、巨量轉移等工藝難題；同時，相較于PeLED中常見的鈣鈦礦薄膜發光層，納米級獨立微晶是目前最高效率紅、綠、藍、及近紅外PeLED的主要發光層結構形式。已有報道也證實，不斷縮小發光單元將是PeLED效率突破的關鍵發展趨勢。因此，micro-PeLED有望成為實現超清顯示應用的理想技術路線之一。

鑒于此，研究團隊基于已有的研究基礎，對 “邁向微型鈣鈦礦發光二極管顯示技術” 這一主題進行深入探討與展望。該展望文章主要包括以下幾個方面：首先，深入分析并系統總結了目前高性能PeLED器件的特征、共性及效率提升關鍵點，并充分論證了PeLED器件微型化的獨特優勢；其次，綜述分析了當前六大鈣鈦礦圖案化技術最新進展及優勢對比，并總結了已報道micro-PeLED的結構趨勢及發展潛力；最后，在展望部分，前瞻性的提出三大針對micro-PeLED顯示發展的技術路線。

圖1. 高性能PeLED器件的優化策略

由于micro-PeLED是PeLED的微型化器件，發展制備高質量鈣鈦礦發光陣列及micro-PeLED器件可以從當前高性能PeLED的制備方法中獲得規律及靈感。文章篩選并討論了當前三種高效率PeLED的優化策略（相均一化、缺陷鈍化、取向出光），通過實例說明鈣鈦礦活性層從薄膜到納米晶塊的微縮化發展趨勢。

同時，對比傳統LED，強調了鈣鈦礦微縮化提升發光效率的優勢。最后總結得出高質量鈣鈦礦發光層的發展趨勢為：單晶化、陣列化、獨立化（圖1）。

圖2. 鈣鈦礦圖案化技術對比

隨后，文章綜述討論了當前六大類鈣鈦礦圖案化技術（噴墨打印、光直寫、納米壓印、基底預圖案、模板輔助、激光刻蝕）的最新研究進展，分析對比了各圖案化技術在分辨率、可擴展性、加工損傷、成本、加工效率、技術柔性六個維度的能力分布，從中篩選納米壓印與基底預圖案為最具潛力的鈣鈦礦微型化技術方案，并評論了各圖案化技術未來的發展方向（圖2）。

圖3. micro-PeLED研究進展

雖然鈣鈦礦圖案化、陣列化技術發展迅速，但受限于器件工藝的成熟度不足，相關micro-PeLED的報道很少。因此，文章系統總結了目前已報道的兩大類micro-PeLED器件、參數以及相關制備工藝，對比并提出微電極控制的自發光micro-PeLED將可能是未來超清顯示技術的終極形態（圖3）。

圖4. micro-PeLED未來發展技術路線

最后，針對micro-PeLED新型顯示的發展，結合鈣鈦礦發光材料的特性，文章首次提出了全彩化、微電路集成、發光單元納米化三大技術路線，并前瞻性的給出了技術路線的具體實施方案，同時，對該新興方向的未來發展進行了展望（圖4）。

總的來說，該展望為鈣鈦礦圖案化、微縮化工藝及micro-PeLED器件制備技術提供了理論總結與指導，也為開展實驗工作提供了參考借鑒，對進一步開發鈣鈦礦發光器件潛力、推動該新型鈣鈦礦顯示技術產業化應用有重要意義。

北京大學聯合培養企業博士后楊曉宇為該論文第一作者，朱瑞研究員和利亞德智能顯示研究院盧長軍院長為通訊作者，北京大學和利亞德光電股份有限公司為通訊單位。

該工作得到了國家自然科學基金委、北京市自然科學基金、國家重點研發計劃、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心等單位的支持。（來源：北京大學物理學院官微）

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