LED业有哪些新的技术突破？

技术创新和突破是行业发展的第一生产力。近期，LED业有哪些新的技术突破？

有机全色激光显示方面获得突破！

激光显示具有全色域、高亮度、极限高清、真3D等颠覆性优势，是继阴极射线显示、液晶显示、LED显示之后的下一代技术。激光显示已经在激光电视、激光影院等领域实现了商品化。然而，这种利用投影三基色激光的方式限制了激光显示在手机等平板领域的应用。将红绿蓝三色的微纳激光作为单个像素，构建主动发光的全色激光阵列作为显示面板，是发展平板激光显示的关键。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院战略先导专项的支持下，中国科学院光化学重点实验室赵永生研究员课题组科研人员多年来一直致力于有机微纳激光材料与器件方面的研究，在有机微纳谐振腔结构的可控组装（J. Am. Chem. Soc.2011, 133, 7276-7279；Chem. Soc. Rev.2014, 43, 4325-4340），有机微纳激光材料的激发态过程（Acc. Chem. Res. 2016, 49, 1691-1700; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1118-1121; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3108-3112; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 13147-13150），以及有机柔性微纳激光阵列（J. Am. Chem. Soc.2015, 137, 62-65; Science Advances2015, 1, e1500257；J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 2122-2125;Science Advances2017, 3, e1700225）等方面开展了系统的研究工作。

图1 有机全色激光显示面板的构筑

（a）通过超声振动辅助喷墨打印法制备有机RGB微激光像素阵列的示意图；（b）大面积有序阵列结构的照片；（c-d）显示的RGB像素阵列的显微镜图像及单个像素放大图；（e）紫外光照射（330-380 nm）下单个RGB像素的荧光显微图像。

最近，研究人员充分发挥有机材料在溶液加工方面的优势，利用喷墨打印的方式精准构建了红绿蓝微纳激光阵列作为显示面板（图1），实现了主动发光激光显示，解决了当前激光投影显示无法用于手机、平板、可穿戴设备等领域的问题。在制得的面板上，每个像素点都由三个独立的红绿蓝激光器组成。远场图像表明，这样制备的像素点具有良好的混色效果，且色域覆盖范围超过标准RGB空间的45%（图4）。

图2 单个像素产生的RGB激光

（a-c）不同功率激光对单个微半球进行光致激发的荧光光谱及图像；（d-f）425、555和606 nm处荧光强度随激光功率的变化，折线处显示其激射阈值分别为39.6、80.0和33.4 μJ cm-2。

在一块3×5阵列面板上实现了三原色的数字显示，通过颜色混合可以得到其他的各种颜色。除数字外，该面板还能够实现所有字母的混色显示。进一步地，选用较大面积的阵列面板能够动态显示更加复杂的图案。利用这种主动发光的激光面板还可以实现图案的动态显示，用于信息滚动播出，视频播放等。

图3 打印像素阵列中的全彩可调激光

（a）RGB像素中不同半球组合激射的光谱和相应的荧光图像；（b）从（a）中激光光谱提取的色度；（c）由不同RGB微半球组成的像素阵列的“ICCAS”图案的远场照片。

图4 全色激光显示

（a）可编程的全彩激光显示的示意图；（b）基于3×5的RGB像素阵列的多色阿拉伯数字显示。显微镜图像（左列）和光致发光图像（右三列）；（c-e）在相同的面板上交替显示三种颜色分布不同的蝴蝶图像（44×44像素，对角线2.2 cm）。

该工作为发展高性能、易加工的平板激光显示及照明器件提供了一种可行的解决方案。相关工作发表在Nature Communications2019, 10, 870。

电极反转的LED：可用于冷却未来计算机

近日，美国密歇根大学的研究人员们取得一项新研究成果，它竟然与物理学普通假设相反。他们利用了一个“电极反转”的发光二极管（LED），冷却另一个距离仅为纳米级的设备。该校机械工程系教授 Pramod Reddy 与 Edgar Meyhofer 共同领导了这项研究。这项研究于2月14日发表在《自然》期刊上。

该方法有望为未来的微处理器带来新型固态冷却技术。微处理器包含了许多封装在狭小空间中的晶体管，而现有的技术无法足够快速地为它们散热。

Reddy 表示：“我们演示了第二种采用光子冷却设备的方法。”第一种方法：激光冷却，是基于2018年诺贝尔物理学奖获得者 Arthur Ashkin 的基础工作。

取而代之的是，研究人员们利用了热辐射的化学势（举例来说，这个概念更常用于解释电池如何工作）。Meyhofer 表示：“即使在今天，许多人都认为辐射的化学势为零。但是追溯到上世纪八十年代，那时的理论研究表明，在某些条件下，情况并非如此。”

当放入某一设备中时，电池中的化学势会驱动电流。在电池内部，金属离子想要流向另一端，因为这样它们可以释放一些能量（化学势能），而我们将这种能量用作发电。电磁辐射，包括可见光和红外线热辐射，通常不具有这种势能。

机械工程系研究员、这项研究领导作者 Linxiao Zhu 表示：“通常对于热辐射来说，强度只依赖于温度，但是实际上我们还有另一种控制这种辐射的方法，它使得我们研究的冷却成为可能。”

这种方法是“电”。理论上，在红外线LED上反转正负电气连接，不仅不会阻止它发光，实际上还会抑制它原本应该产生的热辐射，因为这是在室温条件下进行的。

Reddy 表示：“LED，经过这种反转偏置的方法处理，表现得就像处于较低的温度。”然而，测量这种冷却并证明发生了令人感兴趣的事情，是非常复杂的过程。

为了让足量的红外线从某个物体进入LED，这个物体必须与LED离得非常近，距离低于红外线的单个波长。这就需要采用“近场”或者“倏逝波耦合”效应，这样才能使得更多的红外线光子（光粒子），穿过待冷却的物体进入LED中。

Reddy 和 Meyhofer 的团队在这方面具有一定优势，因为他们过去一直在加热和冷却纳米器件，将它们放置到只有几十纳米的距离，这个距离不足头发丝宽度的千分之一。在如此紧密的距离下，一个原本不会从待冷却的物体中逃脱的光子，就会进入LED，好像它们之间几乎没有空隙存在。团队使用了超低振动实验室，在这个实验室中可以相隔距离为纳米级的物体，原因在于诸如建筑物中其他人的脚步声之类的振动会大大减弱。

下图所示：Linxiao Zhu 展示了具有热量计和光电二极管的实验平台。这个系统可以抑制房间和建筑中的振动，稳定地保持两个纳米物体之间相距55纳米。

（图片来源：Joseph Xu）

团队通过构建一个微型热量计证明了这一原理。这个微型热量计，是一种可测量能量变化的设备，并紧靠着尺寸如同一粒米的微型LED放置。这两个设备持续地发射和接收来自彼此以及环境中其他地方的热光子。

密歇根大学的团队修改后的尺寸如同一粒米的近红外光电二极管的电子显微镜图片。（图片来源：Linxiao Zhu）

密歇根大学的团队制造热量计的电子显微镜图片，它可以感知面积可跨越80纳米。（图片来源：Linxiao Zhu）

Meyhofer 表示：“室温下的任何物体都会发光。夜视相机基本上就是在捕捉来自温暖物体的红外光。”但是一旦LED被反转偏置，它开始成为一个非常低温的物体，吸收来自热量计的光子。同时，空隙防止了热量通过传导返回热量计，从而产生冷却效果。

团队演示了每平方米6瓦特的冷却效果。理论上来说，这种效应可以产生相当于每平方1000瓦特（大约等于地球表面太阳光的功率）的冷却效果。

这项技术对于未来的智能手机和其他计算机设备来说非常重要。随着在越来越小的设备中蕴藏着越来越强大的计算功率，处理器散热能力开始限制给定空间中可容纳的计算功率。

随着这种方法的效率以及冷却速率的提升，科学家们希望这种现象成为一种从设备中的微处理器快速吸收热量的方法。因为纳米尺度的间隔物能在微处理器和LED之间提供隔离，所以这种方法甚至可以应用到智能手机中，改善其散热。（来源于：IntelligentThings）

仿制萤火虫结构，提高LED发光率

美国宾州州立大学（Pennsylvania State University，简称“Penn State”）的研究员发现通过仿制萤火虫的发光结构能够提高LED发光效率。

宾州州立大学电子工程专家Stuart (Shizhuo) Yin指出，目前大多数商用LED发光效率仅约50%，如何提高所谓的LED光提取效率是研究的关键之一，他们着重于研究如何从LED中提取光线。

研究团队发现，光线在向后反射时会消失，所以萤火虫与LED在释放光线上面临相似的挑战。对于LED，其中一个解决方案就是在其表面创建微结构，使其有纹理，进而发射出更多的光线。但是，大多数LED表面的微结构是对称的，每一边的倾斜角度一样。

萤火虫的“灯笼”也有微结构，然而，研究员发现这些微结构是不对称的，其中一边倾斜的角度不同。他们还发现其它会发光的昆虫都有相似的结构。鉴于此，他们决定在LED表面尝试创建类似的不对称结构。

有不对称金字塔微结构的蓝宝石衬底（来源：Penn State）

研究员成功地在LED表面创建了不对称微观金字塔结构，以两种方式提高了光提取效率。首先，不对称的金字塔结构表面积较大，促进光与表面进行更多的交互作用，使得更少的光线被吸收。之后，当光线碰到不对称金字塔结构的两个不同的倾斜角时，光反射有更大的随机性，这意味着光线反射更多。

对称与不对称结构发光效率对比（来源：Penn State）

通过采用这种方法，LED光提取效率提高到90%。该研究团队为此项研究申请了专利，并表示，他们正在寻求与相关的制造商进行合作，共同推动这项技术的商业化。

据悉，这项研究结果已发表在《Optik》杂志上。

2019年十大突破性技术

日前，《麻省理工科技评论》正式揭晓2019年“十大突破性技术”（10 Breakthrough Technologies），今年上榜的“十大突破性技术”分别是：灵巧机器人、核能新浪潮、、早产预测、肠道探测药片、定制癌症疫苗、人造肉汉堡、捕获二氧化碳、可穿戴心电仪、无下水道卫生间和流利对话的 AI 助手。