最新纳米棒LED技术，Li-Fi通讯或将成现实

2015年消费电子展以来，量子点技术的崛起，大有一副取代发光二极管（LED），成为新一代液晶显示器（LCD）背光源的趋势。

而如今，来自伊利诺伊大学香槟分校、韩国电子和电信研究所和陶氏化学的研究人员可能将给显示技术再次带来革命性的改变——他们研发出能够发射和检测光的纳米棒，这些纳米棒将可以直接用于制造显示器的像素点，在此项技术的支持下，液晶显示器（严格来说，用了此技术之后已经不再需要液晶）将不再需要背光。

以下视频详细展示了纳米棒是如何发射和检测光的，同时展示了一些极具吸引力的潜在应用。例如，手机不需要摄像头就可以捕捉画面，而手机之间则可以通过屏幕发射并检测光来实现“光保真通信”（Light Fidelity，简称Li-Fi）。

【视频

姆塞伯·辛（Moonsub Shim）是伊利诺伊大学香槟分校的教授，也是此项技术相关论文的合作者。他解释说：“（这项技术）不同于那些包括量子点在内的背光显示技术。在背光显示器中，白色光源漫射到特定平面，然后通过滤光片得到红、绿、蓝三种颜色（即我们所说的rgb光谱）。相比之下，纳米棒作为单个像素点，本身就可以发出指定颜色的光，因此无需背光。”

《Science》上发表的论文显示，这支国际团队混合使用三种不同类型的半导体来制造这些工程纳米棒。辛教授解释说：“纳米棒包含了三种不同的半导体材料。第一种半导体在纳米棒的顶端，被用作发射和吸收可见光的量子点。其他两种半导体则被用以制作纳米棒的主体和外壳，主要功能是控制从量子点“流出”的电子（负电荷）和空穴（正电荷）。”

构成纳米棒主体和外壳的半导体材料都具有不允许电子或能带存在的禁带。当两个半导体与量子点接触后，纳米棒发射和检测光的效率都大大提高。

具体来说，在发光模式下，纳米棒主体将电子有效地传递给量子点，并阻止空穴的逆向流动。同时，外壳将空穴传递给量子点，并阻止电子的反方向流动；在光检测模式中，在光子产生电子-空穴对之后，纳米棒主体捕捉电子，防止空穴逆流。同时，外壳半导体捕捉空穴，阻止电子反方向移动。

辛教授进一步解释道： “对于LED、光电探测器和光伏器件来说，我们必须注入正电荷和负电荷到量子点使之发光，或者捕捉光子撞击产生的电子- 空穴对来产生电流。纳米棒主体和外壳的作用在于促使电荷移动到正确的位置，因此提高发光或者检测光的效率。”

宾夕法尼亚大学的博士后研究员努里·欧（Nuri Oh）是相关论文的另一位合作者，他和辛教授都相信，纳米棒的出现将颠覆整个显示市场。

努里·欧表示，他们的“概念机”展示纳米棒LED可具备多功能应用，从光检测到数据传输，从光保真通信到可主动收集能量的自供电显示器等等。

根据辛教授的介绍，这些纳米棒用作显示器的像素点还具有一个很大的优点，那就是极高响应速度，这要比现在显示器刷新的频率快三个数量级。因此，这样的显示器将不存在任何“卡顿感”。

而要将这项性能优异的技术真正投入日常应用，首先要攻克的难题就是如何完善制造工艺。早在2014年，该团队就实现的这一突破，并将成果发表在了《Nature Communications》上。

辛教授表示，他们设计的能带结构不仅可以使发光效率成倍提高，并且还可以检测光。

虽然传统的薄膜无机半导体LED单元也可以用作发光或光检测器件，甚至在辛教授团队之外，也有其他科学家制作出了类似相同功能的单体LED纳米棒。但是辛教授他们的纳米棒LED有一个无可比拟的优势，他们的纳米棒是一种胶体，可以通过特定的溶液操作来制造大规模的纳米LED阵列。

辛教授表示：“传统LED芯片大小在毫米级别。而为了使无机薄膜材料制成的LED具有检测光的能力，我们将需要集成很大的LED阵列。然而，对于依托晶圆基底的传统LED来说，其阵列的大小受晶圆大小的限制而无法无限增长。但是纳米棒LED就没有这个限制，他们可以被旋涂到任何基材上（硅晶圆的直径一般不超过30厘米，而工业离心旋镀的规模则可以达到平方米级别）。因为这一特性，具备发射和检测光的纳米棒才有可能被应用于柔性显示器和大面积屏幕等领域。”

尽管前景美好，但纳米棒技术还存在重大的工程难题。到目前为止，研究人员只成功实现了红色纳米棒LED。对于显示器来说，绿色和蓝色LED仍有待于开发。

其次，如何排列三种不同颜色的LED也是一大挑战。此外，虽然我们可以用旋涂技术方便的将纳米棒应用到不同场合，但也正因为其可溶性，常规的蚀刻或图案化技术将会因为需要使用溶剂而难以应用到纳米棒工艺中来。

此外，即便做出了能够分别显示红绿蓝的纳米棒，如何将这三种纳米棒有序排列在一起，形成一个个完整的显色点可能也需要辛教授和他的团队好好研究一番。

编辑：梁博深

参考：IEEE

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