發光二極體(LED)的系統已經商業化，現在廣泛應用於大型顯示器、交通信號燈、室內和街道照明、汽車、手機和液晶顯示器等應用中。白光發光材料因其在LED、照明、通信，尤其是可撓式顯示設備中的潛在用途而引起了相當大的關注。微型 LED 和色彩轉換層（如量子點 (量子點)）的白光系統在可見光通訊應用中變得越來越重要。全彩可撓式顯示器可以使用可撓式藍色LED晶片和色彩轉換層或黃色發光螢光粉材料製造。量子點作為色彩轉換層具有非常大的前景與應用，特別是因為它們的窄半高寬(FWHM)，約為30 nm的特性；這提供高色純度和量子尺寸效應控制的可調能隙。量子點和微型LED之間的非輻射能量轉移提高了全色微型LED元件的顏色轉換效率。

 

近期國立陽明交通大學郭浩中教授團隊、澳洲新南威爾斯大學吳韜教授研究團隊、美國耶魯大學韓仲教授研究團隊及香港城市大學何志浩教授團隊提出了一種高性能的可撓式性白光系統，相關研究發表至《Photonics Research, vol. 9, no. 12, pp. 2341-2350, 2021》，第一作者為國立陽明交通大學郭浩中教授的博士生Konthoujam James Singh，並獲選為Editors' Pick，如圖一。

 

圖一、可撓式性白光系統之研究獲選為《Photonics Research 》之Editors' Pick。

 

該系統由奈米結構的綠光CsPbBr₃鈣鈦礦量子點紙、紅光CdSe量子點紙和半極性(20-21)藍色微型LED 做成。半極性(20-21)藍光微型 LED 具有817 MHz的最大帶寬和441 nm的峰值發光波長。 本研究的綠色鈣鈦礦量子點的最大頻寬為229 MHz，是迄今為止相關研究的最佳值。半極性(20-21)藍光微型 LED和綠色鈣鈦礦量子點紙的傳輸速率分別為1.5 Gbps和400 Mbps，所提出的鈣鈦礦量子點的可撓式白光系統也可以實現95.5 MHz的最大 3-dB頻寬。此外為解決因LED晶片縮小導致表面缺陷造成LED光電特性不佳的問題，近幾年郭浩中教授研究團隊導入原子層鈍化沉積技術(Atomic layer deposition, ALD)來提升元件輻射複合的效率，減少漏電流的產生，開發出高性能的高速微型LED元件，本研究的半極性(20-21)藍光微型LED結構示意圖如圖二所示。

 

圖二、 (a) 半極性(20-21)藍光微型LED結構示意圖； (b) 微型LED在光學顯微鏡下成像圖。

 

本研究使用可撓式藍色微型LED、CsPbBr₃綠光鈣鈦礦紙和CdSe 紅光量子點紙來達成可撓式的白光系統，白光系統製造過程如圖三所示。可撓式微型 LED是使用黃光將銅導線製作在聚酰亞胺(PI)基板上，使用PI基材是因為其具有良好的高耐熱性和熱穩定性特性。接著使用矽基異方性導電接合劑將微型LED倒裝晶片黏合在PI基板上，以保持晶片金屬接觸點與基板上AuSn焊料之間的導電性。本研究準備CsPbBr₃鈣鈦礦紙和CdSe量子點紙，利用黏合劑將CsPbBr₃鈣鈦礦紙與量子點紙黏附在可撓式基板的微型LED的頂部，即完成白光系統，如圖三所示。

 

圖三、白光系統的製作流程圖。

 

為了實現可撓式白光系統，使用綠色鈣鈦礦量子點紙和紅色的CdSe 量子點紙形成色彩轉換層，並放置在可撓式半極性(20-21)藍色微型LED上方。圖四(a)展示微型LED 驅動電流從7.2 mA 增加到72 mA 時，可撓式白光系統產生的白光的電致發光光譜。該光譜分別顯示鈣鈦礦量子點和CdSe量子點紙的綠光和紅光發射波峰，其峰值波長分別為 528 和 625 nm。圖四(a)中插圖為可撓式白光系統點亮後的照片，適用於可見光通訊之可穿戴設備。

 

除了在可見光通訊應用方面的潛力外，本文報導的基於鈣鈦礦量子點的可撓式白光系統還顯示出廣泛的顏色特性和出色的色彩穩定性，這對於顯示應用非常有前景。圖四(b) 顯示了使用半極性(20-21)藍色微型LED和鈣鈦礦量子點紙和CdSe 量子點紙在10 - 1200 A/cm²的驅動條件下創建的白光系統的顏色性能，根據國際照明委員會CIE-1931色彩空間定義，此白光系統達到美國國家電視標準委員會 (NTSC)色彩空間的 98.7% 和Rec. 2020 =91.1%的色彩空間，且由於波長穩定性，白光系統的色域隨著注入電流密度的增加幾乎保持不變。

 

圖四、 (a) 使用半極性(20-21)微型LED和鈣鈦礦量子點以及CdSe量子點紙製作出的白光光譜； (b) 根據 CIE 1931 顏色空間在各種電流密度下白光系統的色域。

 

圖五(a)為不同操作電流條件下，半極性(20-21)藍色微型 LED的頻率想應變化，最大3-dB頻寬為817 MHz，對應於113 mA 的操作電流。圖五(b)比較利用纖維(cellulose)製備的鈣鈦礦量子點薄膜與傳統鈣鈦礦量子點薄膜之頻率響應，顯示出奈米結構的綠光鈣鈦礦量子點紙的頻寬229 MHz遠高於鈣鈦礦量子點薄膜的頻寬111 MHz，意味著奈米結構具有比塊材更高的載子複合速率，更適合實現高速可見光通訊，因此具有更高的調變頻寬。結合綠光鈣鈦礦量子點與紅光量子點紙的白光系統在113 mA 注入電流下達到95.5 MHz的頻寬，白光系統的高頻寬歸因於半極性(20-21)微型LED和鈣鈦礦量子點紙的高頻寬。我們認為白光系統的調變頻寬受限於紅色CdSe量子點紙的低頻寬，通過優化紅色CdSe量子點紙可以進一步提高系統頻寬。相關研究成果已被2021年頂尖光電期刊《Photonics Research》所接受。

 

圖五、(a) 半極性(20-21)藍色微型LED的頻率響應；(b) 奈米結構中鈣鈦礦量子點紙與鈣鈦礦量子點薄膜頻寬之比較及鈣鈦礦量子點紙的眼圖；(c)不同研究團隊在色彩轉換後的頻率響應之比較。

 

 

資料來源：

1.        Singh, Konthoujam James, et al. "CsPbBr₃ perovskite quantum-dot paper exhibiting a highest 3 dB bandwidth and realizing a flexible white-light system for visible-light communication." Photonics Research 9.12 (2021): 2341-2350.

CsPbBr3 perovskite quantum-dot paper exhibiting a highest 3  dB bandwidth and realizing a flexible white-light system for visible-light communication (osapublishing.org)

2.        Wu, Tingzhu, et al. "Highly stable full-color display device with VLC application potential using semipolar μLEDs and all-inorganic encapsulated perovskite nanocrystal." Photonics Research 9.11 (2021): 2132-2143.