▍導(dǎo)讀

透明顯示是未來(lái)顯示的發(fā)展方向之一，在智能窗、可穿戴電子產(chǎn)品、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、觸摸屏等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。隨著有機(jī)、量子點(diǎn)、鈣鈦礦等新型發(fā)光材料的出現(xiàn)，發(fā)光二極管的亮度、效率和穩(wěn)定性飛速發(fā)展，然而在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)兩側(cè)對(duì)稱發(fā)光的高性能透明發(fā)光二極管仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所郭曉陽(yáng)研究團(tuán)隊(duì)在《發(fā)光學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為“透明發(fā)光二極管的研究進(jìn)展”的綜述文章。重點(diǎn)從有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）以及鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLED）三類發(fā)光器件出發(fā)，綜述了利用不同透明電極實(shí)現(xiàn)透明化的具體方案，概括了各類透明電極的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及不足，最后對(duì)透明顯示的發(fā)展進(jìn)行了展望。

▍引言

高效的發(fā)光材料是實(shí)現(xiàn)透明發(fā)光二極管（LED）的前提。隨著科技的進(jìn)步，LED的發(fā)展日新月異，一些新型半導(dǎo)體發(fā)光材料，例如有機(jī)、量子點(diǎn)、金屬鹵化物鈣鈦礦等，為L(zhǎng)ED顯示技術(shù)提供了新的發(fā)展方向。近些年，基于這些新興材料的電致發(fā)光器件性能已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，這也為發(fā)展基于新一代發(fā)光材料的透明顯示器件提供了可能。

傳統(tǒng)的LED通常采用不透明的頂部電極（Al、Ag、Au等），這類高電導(dǎo)率高反射率的金屬薄膜能夠確保發(fā)出的光反射到二極管內(nèi)部，通過(guò)透明的底部透明電極實(shí)現(xiàn)單側(cè)的發(fā)光。與傳統(tǒng)LED不同的是，透明LED器件的頂部電極要采用透明電極，發(fā)光層發(fā)出的光由通過(guò)頂部和底部電極同時(shí)發(fā)射出來(lái)（圖1），這將大大降低器件從底電極出光的效率。因此如何利用雙側(cè)透明電極來(lái)更有效的提高光的取出效率就成為提升透明LED性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，這也是實(shí)現(xiàn)高效的透明LED所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖1：（a）傳統(tǒng)底發(fā)射發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)；（b）雙側(cè)發(fā)射的透明發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。

▍透明有機(jī)發(fā)光二極管

有機(jī)發(fā)光二極管具有功耗低、重量輕、色域?qū)?、響?yīng)時(shí)間快、對(duì)比度高等突出優(yōu)點(diǎn)，在全彩平板顯示和固態(tài)照明中應(yīng)用廣泛。透明OLED易于與氧化物或有機(jī)薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)電路集成，可用于具有高孔徑比的有源矩陣透明顯示器，可應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦、可穿戴智能設(shè)備等電子產(chǎn)品中。OLED通常是由多層有機(jī)半導(dǎo)體材料組成，其功能層的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且具有超薄厚度，發(fā)光層可以選擇僅吸收紫外線的有機(jī)半導(dǎo)體材料，從而表現(xiàn)出高透明度，這使其在透明顯示領(lǐng)域的應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)。

目前制備透明OLED使用的透明電極材料主要包括，透明導(dǎo)電氧化物、超薄金屬膜、銀納米線/網(wǎng)格、導(dǎo)電聚合物和石墨烯等，目前報(bào)道的沒(méi)有光輸出耦合結(jié)構(gòu)的透明OLED最高外量子效率達(dá)30.2%（圖2）。透明OLED是最早發(fā)展起來(lái)的基于新型發(fā)光材料體系的透明發(fā)光器件，因此，也被研究的最為廣泛，取得的研究成果也為后來(lái)基于量子點(diǎn)和鈣鈦礦材料的透明LED研究提供了更多的參考和可行的方案。

圖2：透明OLED實(shí)物照片。

▍透明量子點(diǎn)發(fā)光二極管

膠體量子點(diǎn)發(fā)光材料是繼有機(jī)發(fā)光材料之后出現(xiàn)的新型高效發(fā)光材料，它由于具有窄發(fā)射光譜、寬色域、高量子產(chǎn)率以及出色的加工性能，成為過(guò)去幾十年里最有吸引力的光電子材料之一，在智能家居和城市建設(shè)等應(yīng)用中備受關(guān)注，可廣泛應(yīng)用于功能照明、背光照明、微型LED等方面。

利用透明導(dǎo)電氧化物、超薄金屬膜、石墨烯以及金屬納米線等材料作為頂部透明電極制備的TQLED擁有極高的亮度以及透明度，使它在全彩透明顯示的研究領(lǐng)域中占據(jù)一席之地。目前報(bào)道的采用高透明三層電極MoO?/Ag:Cu/MoO?制備的透明QLED器件在550 nm處透過(guò)率達(dá)到77.2%，器件亮度和效率是目前我們所知的透明QLED的最高值（亮度為225500 cd/m2， 外量子效率為16.70%，圖3）。由此也證明了利用超薄金屬作為透明頂電極在透明QLED領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖3：透明QLED實(shí)物照片。

▍透明鈣鈦礦發(fā)光二極管

作為一種新型發(fā)光材料，金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有高熒光量子效率、高色純度、高載流子遷移率、寬吸收光譜以及帶隙可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榫哂懈甙l(fā)光效率和低缺陷密度，鈣鈦礦材料在非常薄的發(fā)光層就能實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光，所以非常適合發(fā)展透明顯示。

然而相比于透明OLED和透明QLED，對(duì)于透明PeLED的報(bào)道還比較少，目前報(bào)道的使用的透明電極材料主要包括透明導(dǎo)電氧化物、超薄金屬膜以及金屬納米線，然而其性能與不透明器件還有很大的差距。一方面是由于鈣鈦礦電致發(fā)光器件的研究起步較晚，鈣鈦礦發(fā)光器件的電致發(fā)光性能還有待進(jìn)一步提高，尤其是其藍(lán)光性能；另一方面，鈣鈦礦易于結(jié)晶的特性，會(huì)導(dǎo)致大晶粒的形成，不利于透明頂電極的沉積，同時(shí)也會(huì)增加界面處的光散射，因此，對(duì)于鈣鈦礦結(jié)晶形貌的調(diào)控對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效的透明器件有著至關(guān)重要的影響。未來(lái)，通過(guò)研究人員對(duì)于鈣鈦礦結(jié)晶形貌的控制及發(fā)光器件性能的進(jìn)一步提升，同時(shí)結(jié)合其它透明器件制備中的經(jīng)驗(yàn)，相信可以使透明PeLED的性能得到更加快速的提升。

▍展望

受到透明電極和發(fā)光材料的共同影響，目前透明電致發(fā)光器件在亮度和效率方面都落后于不透明的傳統(tǒng)電致發(fā)光器件，特別是鈣鈦礦透明器件還存在著較大差距。如何平衡透明器件的透過(guò)率與光電性能仍是亟待解決的問(wèn)題。隨著更多新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理和新機(jī)制的涌現(xiàn)和研發(fā)精力的投入，相信這些問(wèn)題會(huì)被新的透明化方案逐步攻克，屆時(shí)透明顯示將實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化的目標(biāo)，在智能窗、可穿戴電子產(chǎn)品、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等領(lǐng)域大展拳腳。

▍論文信息

李一爽, 包志強(qiáng), 鄒德月, 郭曉陽(yáng). 透明發(fā)光二極管研究進(jìn)展[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2023,44(9):1527-1545. DOI: 10.37188/CJL.20230111.

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230111/

▍通訊作者簡(jiǎn)介

郭曉陽(yáng)，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所副研究員，博士生導(dǎo)師，2010年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位，主要從事新型光電子材料與器件的研究。發(fā)表SCI和EI論文60余篇，授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)。獲得吉林省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第一完成人），入選吉林省優(yōu)青、中國(guó)科學(xué)院特聘研究骨干、長(zhǎng)春光機(jī)所首批旭光人才。

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