Nature Nano.远程外延晶体钙钛矿

 

01 科学背景    

微尺度发光二极管(micro-LED)正在成为一种新一代显示技术，具有高分辨率、高亮度和高响应速度的特点，在光通信、增强或虚拟现实以及可穿戴设备中至关重要。最初，III-V族半导体因其高发射效率和稳定性而被提议用于构建micro-LED显示器。然而，它们的实际应用面临限制，因为(1)伴随像素小型化导致的效率下降，这使得像素尺寸的下限约为30 μm，以及(2)可扩展性中等，受到低效的传输技术的阻碍。这些挑战促使人们探索替代材料系统，例如金属卤化物钙钛矿和胶体量子点，这些系统为高分辨率图案化和可扩展制造提供了潜力。其中，钙钛矿材料以其较长的载流子扩散长度和较高的发射效率而著称，这使得薄膜器件的电致发光(EL)效率达到了创纪录的28.9%。尽管如此，这些器件中钙钛矿的多晶性质导致表面不稳定、发射不均匀和电子传输效率低下，这与微型LED配置不兼容。

与多晶钙钛矿相比，单晶钙钛矿表现出数量级的缺陷密度抑制和提高的载流子迁移率。对于Micro-LED应用，需要将上述优点与亚微米厚度集成在一起以实现高效的辐射复合，并具有大面积连续膜以实现高效的载流子传输的单晶薄膜。外延是一种通过晶格匹配生长取向单晶薄膜的技术，在半导体工业中至关重要。该策略已被引入钙钛矿中，用于生长用于器件应用的晶体薄膜。然而，以前的方法，例如溶液处理同质外延、范德华(vdW)外延和原子异质外延，都受到中等晶粒尺寸和/或转移过程中不可避免的材料损坏的限制。远程外延是一种利用范德华中间层同时实现外延生长和外延层释放的策略，它促进了III-V族半导体、复合氧化物和钙钛矿的大规模制造和高效转移，并应用于器件。为了将远程外延钙钛矿集成到微型LED中，需要具有消除晶粒边界、大面积和亚微米厚度的外延膜，而这尚未实现。

02 创新成果    

中国科学院理化技术研究所吴雨辰研究员、吉林大学邱宇辰研究员、中国科学技术大学凤建岗研究员等研究人员报道了由远程外延结晶钙钛矿薄膜构建的微型LED显示器。利用石墨烯中间层和蓝宝石衬底，实现了面积为4 cm2的钙钛矿薄膜的远程外延生长，消除了晶界和纯平面外晶体取向，从而可以快速从衬底上释放并集成到LED设备中。这些独立的钙钛矿薄膜支持微型LED，其外部量子效率(EQE)高达16.7%，亮度为4.0 × 105  cd m-2，显示分辨率高，最小像素尺寸可低至4 μm。这些最先进的钙钛矿微型LED受益于外延钙钛矿薄膜固有的缺陷密度抑制、电子传导通道短、表面稳定、发光均匀和光学平坦性等独特优势。值得注意的是，结晶膜可以与电子背板集成，构建微型LED显示器，每个像素均可独立动态控制，用于静态图像和视频显示。该研究成果为外延钙钛矿与LED电子设备的单片集成提供了一个新平台，用于明亮、高效和均匀的光发射，从而创建像素小于10 μm的超高分辨率微型LED显示器。

相关研究成果2025年1月15日以“Remote epitaxial crystalline perovskites for ultrahigh-resolution micro-LED displays”为题发表在Nature Nanotechnology上。

    03 核心创新点    

远程外延生长技术：研究团队开发了一种远程外延生长技术，通过在蓝宝石基底上引入亚纳米级石墨烯中间层，实现了钙钛矿薄膜的远程外延生长。这种技术不仅消除了晶界，还实现了薄膜的快速释放和无缝集成，制备出的钙钛矿薄膜面积达4平方厘米，且具有纯的面外晶体取向。

高性能微-LED：利用这种远程外延生长的钙钛矿薄膜，研究团队制备了高性能的微-LED，其外部量子效率（EQE）达到16.7%，亮度高达4.0 × 105  cd m−2，像素尺寸可小至4微米，实现了超高分辨率显示。

应变弛豫机制：通过石墨烯中间层，研究团队实现了钙钛矿薄膜的应变弛豫，显著提高了薄膜的晶体质量。这种应变弛豫机制不仅适用于CsPbBr3，还扩展到了其他钙钛矿成分，如CsPbCl1.3Br1.7，进一步拓宽了钙钛矿的应用范围。

成分工程：研究团队通过改变卤素的化学计量比，成功调控了钙钛矿的成分，实现了从3.00 eV到1.94 eV的带隙调控。这为全色微显示技术的发展提供了可能。

04 数据概览    

图1.用于单晶微型LED的远程外延钙钛矿

图2.CsPbBr3钙钛矿薄膜的远程外延

图3.外延钙钛矿的成分工程

图4.用于微型LED的外延钙钛矿

05 成果启示      

这项研究报道了用于微型LED应用的取向钙钛矿的远程外延生长。我们实现了16.7%的高EQE、4.0 × 105  cd m-2的高亮度和像素尺寸低至4 μm的高分辨率。这些最先进的微型LED显示器受益于高结晶度和松弛应变以实现高性能，而钙钛矿外延层的快速释放和最小损伤实现了器件集成。预计可以通过集成多个钙钛矿组件来构建全彩微型LED显示器。这些外延钙钛矿的晶体平整度、亚波长厚度和均匀发光也有利于它们与纳米光子结构（如共振超表面和光子晶体）的单片集成，以创建具有强光-物质相互作用和可编程光维度（如方向、偏振、相位和轨道角动量）的电注入光子装置。