发光二极管

近日，郑州大学科研人员提出了一种全新的近红外发光二极管发光机理和器件设计理念，并在国际上首次制备出GaN/Si纳米异质结构近红外发光二极管，为近红外发光二极管的设计和制造提供了新的可能。　　红外技术在国防工业、地质探测、光纤通信等领域扮演着重要角色。近红外发光二极管由于体积小、功耗低、稳定性高、寿命长等优点，成为新一代近红外光源的主导技术。　　该项研究成果由郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室李新建研究组完成。该研究组长期从事硅基纳米半导体体系构建技术、性能研究和原型器件研制，在国内外相关领域产生了一定影响。　　相关成果已发表在国际期刊《先进材料》上。审稿专家认为，“此项研究为硅基氮化镓近红外发光二极管的设计和制造提供了一种崭新的途径”。

图中光学照片显示的是在压电光电子效应的作用下，紫外发光二极管的发光强度随施加的应变的增加而增加。下图显示的利用能带理论解释压电光电子效应对p-n结处能带结构和载流子输运过程的调制和改变。(图片提供：王中林)　　紫外半导体发光二极管在化学、生物、医学和军事领域具有广泛的应用，目前这种材料的内量子效率虽然可达到80%，但外量子效率只有3%左右。如今，基于压电光电子学效应，美国佐治亚理工学院讲席教授王中林课题组发明了一种新型高效紫外半导体发光二极管，在合适应用作用下外量子效率可达到7.82%，其光发射强度、注入电流能力和电—光转换效率均成倍提高。新成果发表在8月在线出版的《纳米快报》上。　　王中林表示，新成果还可以扩展到从紫外到红外的整个光谱范围内的由压电材料制备的半导体发光二极管，它们将在发光二极管、光电池和太阳能电流、人机界面、纳米机器人、微—纳机电系统、人机交互等领域得到广泛应用。　　压电光电子学是压电效应、光子特性和半导体特性三相耦合的一种效应，它通过应变引起的压电势来调节和控制电光过程，或者反过来利用电光过程调节和控制力的作用。该效应由王中林于2009年首次发现。　　王中林小组进一步把光引进压电电子学器件，致力于开发和研究力、电和光三相耦合器件。他们发现压电效应可优化光电池，提高光探测器的灵敏度。而最近的研究表明压电效应还可以显著提高氧化锌微纳米线发光二极管的电子—空穴复合效率，从而显著提高发光性能。这些力、电、光三相耦合的研究构成了一个全新的研究领域：压电光电子学(piezo-phototronics)领域。据王中林介绍，力、电、光三相中的两相耦合比如光电、力电和光力耦合效应已经获得了人们的广泛关注和大量研究，很多基于这些耦合效应的新型纳米器件被研制出来。这是一个远比两相耦合复杂的耦合系统，因此有更多有趣的具有重大研究价值的效应需要人们去探索，更多的器件等待人们去开发。　　研究人员将压电光电子学效应应用于紫外半导体发光二极管性能的改造中。半导体发光二极管的光发射由载流子的注入、复合和出射效率等决定。薄膜型宽禁带半导体制备的紫外发光器件，其内量子效应虽然可达到80%，但外量子效率只有3%左右。王中林表示，这主要是由于全反射限制的光出射效率比较低引起的。他和浙江大学的访问学者杨青博士经过精心设计，在N型氧化锌纳米线衬底单根微纳米线发光二极管中引入压电势，发现由压电势引起的界面处的能带改变会形成载流子沟道，从而将载流子捕获在界面附近，提高载流子的浓度和复合效率，进而提高器件外量子效率。他们制备的未加外应力的发光二极管的外量子效率达到1.84%。在固定电压下，对器件施加0.093%的压应力，可以使光发射强度和注入电流分别提高17倍和4倍，相应的电—光转换效率提高4.25倍。合适应力作用下外量子效率达到7.82%，和纳米线增强的复合量子阱LED效率相当，远远超过已报道的简单p-n结纳米线半导体光发射二极管外量子效率。　　王中林表示：“我们所发明的这些氧化锌纳米器件可整合成一个自主发电、自动控制的智能纳米系统 完全基于氧化锌纳米线，我们能创建具有记忆、处理和感应能力的复杂系统，系统所需要的电能均取自外部环境。希望有一天，人类能将纳米尺度的发电机、传感器、光电子器件和逻辑运算器件有机地集成起来，实现自驱动和自主决策的智能纳米系统。”

我国研制的新型有机发光二极管应用前景广阔　　最新一期的美国《应用物理杂志》刊登了一项来自中国科研工作者的最新研究成果———中国科学院长春应用化学研究所科学家开发出的一种制造成本较低、发光效率高的叠层型有机发光二极管。　　有机发光二极管(OLED)是一种薄膜发光二极管(LED)，它的发射层是一种有机复合物。这些器件的加工相比传统的LED成本低很多，它既可以用作电视屏幕、计算机显示屏、便携式系统的显示屏，也可以用于照明设备等。相比传统的LCD显示，OLED显示的一个最大的好处就是它不需要背光，这意味着它需要的电流较小，用同样的电池它能够工作的时间更久，可以广泛地用于小的便携式设备，这些设备大多都采用单色的、低分辨率的显示屏以降低功耗。　　有机发光二极管被认为是未来最重要的平板显示技术之一，在背景光源和照明领域也显示了巨大的应用前景，成为当今热门研究领域。通过自身的努力，中国科研工作者在该领域目前已经取得了令人骄傲的成绩。　　发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，在日常生活中已有广泛应用。与白炽灯相比，发光二极管具有工作电压和电流小、抗冲击性能好、寿命长等特点。但发光二极管一般由无机半导体材料如镓、砷、磷等制成，工艺复杂，成本较高。此外，普通无机发光二极管为点光源，较难应用于大面积并需要高分辨率的组件，并且不可能做得很薄。　　中科院长春应用化学研究所的马东阁研究员领导的研究小组，利用类似于塑料的碳基有机材料制成了有机发光二极管，其加工比较简单，成本较低，而且这种有机发光二极管是一种光源面积较大的面光源。　　实验结果还表明，这种有机发光二极管只需要单发光层就能实现高效率，而不需要多个复杂的发光层 把单元有机发光二极管串联起来，就可以实现更高的工作效率。“简单的单发光层，通过叠层结构实现了高效率，110 cd/A(电流效率)效率应该是目前白光器件较高的效率。”马东阁说，他们开发的有机发光二极管在成本、发光模式等方面优势明显，在照明、显示器背光源等领域拥有良好的应用前景。　　据悉，自从1987年世界上第一个高效率OLED在美国成功问世以后，OLED的发展引起世界工业界和科技界的广泛重视，开始在全世界迅速发展。“我们从1996年开始OLED的研究，特别是最近几年，我们在该领域做了大量工作，开发出了高效率、长寿命的红、绿、蓝OLED，也开发了高效率的白光OLED，并正在推动其产业化。”马东阁说。　　据了解，从OLED的结构、制备工艺、驱动电路和发光性能等方面考虑，它具有许多的优点：厚度薄、质量轻，其核心厚度可小于1毫米，约为LCD的1/3 全固态结构，抗震性好，可以适应巨大加速度、振动等恶劣环境 响应速度快，约为数微秒至数十微秒，比LCD快1000倍，可显示活动图像 材料消耗少，制备工艺简单(一般只需要86道工序，而LCD需要200道工序)，成本至少比LCD低20%，易于大规模生产 低直流电压驱动(最低电压仅为3伏特)、功耗低(2.4英寸多晶硅OLED模块的功耗为605微瓦) 无需背光照明，能够在不同材质的基板上制作成可以弯曲的柔软显示器等。　　众多优点决定了其广阔的应用前景，目前，日本、英国、德国、美国和荷兰等国家在OLED方面已取得了很大的成就，但基本还处于实验阶段，市场占有率很低，这主要是由于其技术上还存在一些亟待解决的问题。如稳定性差、寿命低、彩色序列组合方面工艺不成熟等。“尽管目前全球还没有OLED产品诞生，但国外预计2010年和2011年后将有产品问世，我们也在跟踪世界前沿，加速产业化进程。”马东阁表示，“白光OLED要得到应用，现在必须解决效率、寿命和成本问题，除了材料成本的降低，简化结构应该是降低成本的最主要的工艺。另外，叠层是实现OLED高效率、长寿命的最主要器件结构，具有重要的应用开发价值”。　　业内人士指出，OLED产业之所以吸引了全世界，特别是国内“眼球”的关注，首先是因为OLED是未来极具潜力的平板显示产品，符合超薄、节能、低成本、环保等硬件要求。另外OLED产品处于开发初期，新的应用领域有待开拓，中国有机会在OLED领域处于领先水平。另外就是国家以大力发展平板显示行业为政策导向，众多的投资可以支持OLED事业的发展。　　马东阁认为，我国的有机发光二极管产品如果想从技术、质量等方面达到世界先进水平，很好地实现产业化，需要继续改善器件在高亮度下的效率问题，开发新的工艺，降低成本，满足产业化要求，改善大面积化的均匀性问题，继续改善器件稳定性和解决好产业化工艺与技术问题，做好市场开发工作。《中国质量报》