雙功能納米棒LED不僅能發光，同時還能檢測光，這種顛覆未來的新技術即將開啟下一代智能設備顯示器之門。搭載光響應LED顯示器的智能手機和其他設備很快就能夠實現全新的用戶界面功能，比如手勢控制、根據環境照明自動調光以及自動充電功能等。

來自美國伊利諾伊大學香檳分校以及美國陶氏化學電子材料事業部的多國研究人員小組提出了一種微小異質結構納米棒和發光量子點技術，這種器件既可以用作光電傳感器，也可以用作發光二極管——取決于偏置電流方向。這種基于量子點的設備可以收集光、發光并處理信息。納米棒LED由多種半導體組成，這使得器件可以在發射和檢測之間快速切換，以實現這兩種功能。

雙異質結納米棒（DHNR）光響應LED的長度大約為50納米，直徑為5納米，比一根頭發絲還細一千倍。這些納米棒內的量子點與兩種不同半導體材料直接接觸。而且，它們由三種半導體材料制成。第一種能夠發射并吸收可見光。另外兩種材料控制電荷如何通過第一種材料。把這些材料整合在一起，LED就可以發光、感測光和響應光。要發光并檢測光，每個LED都必須在打開和關閉之間切換，然而，這種轉換的頻率非常高，對于人眼來說，顯示器不存在任何卡頓。

圖1DHNR的低倍和高倍掃描透射電子顯微鏡圖像&左側白色虛線框的放大圖像。

DHNR的結構細節需要CdS、CdSe和ZnSe。其中，微小的半導體納米棒由硫化鎘（CdS）制成，然后用發光硒化鎘（CdSe）——能隙較小的半導體——量子點（QD）覆蓋。而CdSe端又用硒化鋅（ZnSe）——能隙較大的半導體——進行封裝。憑借其結構，DHNR可以充當電荷分離和重組中心。具有微調電荷分離和重組能力的DHNR還能夠同時在單個器件中實現光電流生成和電致發光功能。

圖2 10×10 DHNR-LED陣列原理圖/ Oh等人，2017

DHNR堆疊在電極之間后，可以被布置成像素陣列，如果偏壓由正向改為反向，那么LED就可以在發光和光檢測模式之間切換。這種方案處理型DHNR-LED的優勢如下：低導通電壓（約1.7V）；窄帶寬（<30?nm）；最大亮度?>80,000cd/m2。DHNR-LED在顯示相關亮度方面也具有低偏壓和高效率特性。偏壓為2.5V、照度為1000cd/m2時，其外部量子效率為8.0％。

DHNR-LED還可以在零偏壓或反向偏壓下用作光電探測器。我們來看一個簡單的例子：用激光筆照射一個10×10的像素陣列。通過編程，電路板可為向零偏壓檢測入射光的任何像素提供正向偏壓。然后，來自激光筆的信號被LED陣列空間分解，實現在顯示器上的一種“寫入”動作。這個簡單的控制電路可以將任何檢測到的信號轉換成期望的響應，比如亮度調節。因此，這種LED能夠將像素級的光檢測或者靠近手指或觸控筆產生的陰影轉換為新的非接觸命令。

圖3 白色LED燈泡接近時，單像素級別的自動亮度控制

圖4 不斷靠近的手指阻擋周圍光線時的自動亮度控制響應

圖5 藍色激光筆照射在10×10光響應LED像素陣列上/ Oh等人，2017

其中之一就是通過光伏效應實現的光檢測功能。大氣質量（AM）1.5照度下產生的光電流可以實現0.2C％的功率轉換效率。該數值被測器件中比較普遍，最高為0.3％。四個器件在光伏模式下為超級電容器充電，然后電容反過來可以為LED模式下的相同器件供電。DHNR光響應LED的光檢測功能類似于光伏效應，能夠讓顯示器收集或清除周圍光源的能量，不需要整合分離的太陽能電池，這使得顯示器更加高效。

LED的雙運行模式開啟了更多的可能性。憑借獨立的像素感測功能，我們可以實現直接成像或屏幕掃描。雙模式還可以將緊密耦合的LED顯示器轉換成大規模并行數據通信，從而實現顯示器到顯示器的直接數據通信。即使像藍牙這種設備到設備的通信也會變得更快，兩個面對面的LED陣列有多少像素，就可以用多少像素同時通信。

DHNR-LED的感測能力使得全新非接觸用戶界面設計以及利用顯示屏直接成像成為可能。研究人員補充道，雙模運行的長期穩定性似乎很有希望，“初始亮度為1067cd/m2，占空比為50％，連續運行65小時后亮度和光響應功能均無明顯下降。”其響應時間比傳統顯示器要短得多，所以這種運行模式不僅可以增強現有功能，而且還會完全重新定義顯示器及其功能和多任務處理能力。這種顯示器可以用于光電子白板或光筆響應平板電腦，這意味著我們將會實現前所未有的全新通信、繪圖和藝術創作模式。

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