比头发直径小一千倍，浙大团队突破性研发90纳米LED

提到LED，你会想到什么？是LED灯，户外广告大屏，还是手机、高清电视等的屏幕？

近日，浙江大学狄大卫教授和赵保丹研究员团队在LED领域实现突破——其研发的微米钙钛矿发光二极管（micro-PeLED）和纳米钙钛矿发光二极管（nano-PeLED）达到了传统发光二极管（LED）难以触及的90纳米尺寸新极限，且降低器件尺寸仅造成了微弱的性能损耗，相关研究成果发表于《自然》。

想要了解该成果，首先要弄懂什么是LED。狄大卫介绍，LED是以半导体发光材料为核心的一种二极管元件，在外加电场作用下，半导体会产生额外的正负电荷并产生光子，这就是“电致发光”，“通俗地说，电致发光是一种以半导体为媒介，直接将电能转化为光能的过程，这也是LED的核心工作机制。”他说，由于不同半导体材料对应不同的发光波长，因此可以制作出各种颜色的LED。

而LED的成像方式，就好比“十字绣”，单个LED器件可看作一个“像素”，通过排列组合便形成了图像。“当单个LED尺寸较大时，‘像素’也比较大，因此画面的‘颗粒感’会比较明显，就好比一些像素画风电脑游戏；而一些高端的手机、电视屏幕，之所以看上去画面高清，是因为其使用的LED尺寸非常小，基本都是由OLED阵列组成。”狄大卫科普道。

提起LED，其商业化应用大家并不陌生。其中，传统无机LED的应用场景主要包括室内外照明、车灯，交通指示灯，户外广告大屏等；有机LED(OLED)的主要应用场景包括高端手机、高清电视、电脑屏幕、智能手表等显示设备；此外，最近还兴起了由传统无机LED发展而来的micro-LED，主要用于更加昂贵的电视和头戴式虚拟现实(VR)、增强现实(AR)技术等。

不同于液晶显示技术，LED作为主动发光显示技术，其优点在于画面色彩更加纯正，明暗对比度更高，且总体更加节能。

那狄大卫团队研发的micro-PeLED和nano-PeLED又是什么？他告诉记者，钙钛矿是一种可用于制造LED的半导体材料，钙钛矿LED有一个重要的“基因优势”，那就是它的发光光谱窄且连续可调，“换个说法，就好比钙钛矿LED的‘调色盘’上有更多色彩，能呈现更生动、更真实的色彩。”

钙钛矿是LED的主流材料吗？恰恰相反，钙钛矿LED是世界上“最年轻”的LED技术之一，且并非主流技术。它最初诞生于2014年的英国剑桥大学的卡文迪许实验室，恰巧狄大卫和赵保丹的博士生导师理查德-弗兰德(RichardFriend)院士，发明了世界上第一个钙钛矿LED，这也为狄大卫团队在浙江大学的研究奠定了基础。

其实早在2022年，浙大团队就在国际上首次展示了超稳定的钙钛矿LED，实现了和OLED类似的长寿命，但其发光光谱是人眼不可见的近红外波段，其可见光波段（红、绿、蓝）的钙钛矿LED稳定性仍然很差，无法达到显示技术需求；2024年，团队又将钙钛矿LED的亮度提高到创纪录的116万尼特，超越了当时OLED和量子点LED的亮度水平；今年，团队在微型化方面又实现了新突破。

目前世界最先进的micro-LED，当其尺寸下降到10微米或以下时，发光效率会显著下降，限制了像素尺寸的进一步缩小，且增加了显示设备的功耗和产热；与之相比，浙大团队以钙钛矿为材料研发的micro-PeLED和nano-PeLED，当其尺寸降低到10微米甚至低于1微米时，发光效率并没有显著下降，直到缩小到180纳米以下，发光效率才有明显下降；其中nano-PeLED的最小像素尺寸达到了90纳米，成为国际上公开报道的最小LED像素，它可以实现接近13万PPI(像素每英寸)的超高像素密度。

要知道，LED的尺寸直接缩小到90纳米，比头发丝的直径还要小一千倍，所以才能在对角线长度为一英寸的矩形内装下13万个像素，就好比把北京五环内的地图完整地印在指甲盖上，这意味着它们特别适合未来的AR、VR等近眼显示技术。

狄大卫介绍，微型钙钛矿LED的制备过程，可以理解成一种“光刻工艺”——将面积较大的常规钙钛矿LED通过光刻或离子刻蚀技术，加工成许多微小的micro-PeLED或nano-PeLED。团队中的博士生连亚霄等人开发了一种“局域接触”工艺，通过引入一层额外的绝缘材料，同时改进光刻方法，使得钙钛矿发光区域与金属电极边缘相互隔离，避免了由此造成的发光效率下降问题。

令团队印象深刻的是，团队还开发了用于展示micro-PeLED技术应用的微显示器原型机。“我们联系到杭州领挚科技有限公司，在浙大和公司间辗转奔波多次，团队与公司研发人员反复探讨技术方案，最终以薄膜晶体管驱动电路与钙钛矿器件工艺相结合的方式，打造了能够呈现复杂图像和视频的micro-PeLED微显示原型机。”狄大卫回忆道，为此，团队大受鼓舞。

不过他坦言，作为一种新技术，micro-PeLED和nano-PeLED目前的缺点和常规钙钛矿LED一样，主要体现在器件的工作稳定性不足。

“我们对micro和nano-PeLED技术充满期待。”狄大卫说，它们可以提供更加沉浸、更高质量的虚拟现实视觉体验，如果将其应用在电视机、手机等屏幕上，还能提高这些显示设备的色彩表现以及画面分辨率，可以展现更加生动、精细的画面。“眼下的当务之急，是进一步解决钙钛矿LED的稳定性难题。”