Nature Nano.遠程外延晶體鈣鈦礦

01 科學背景

微尺度發(fā)光二極管(micro-LED)正在成為一種新一代顯示技術(shù)，具有高分辨率、高亮度和高響應速度的特點，在光通信、增強或虛擬現(xiàn)實以及可穿戴設(shè)備中至關(guān)重要。最初，III-V族半導體因其高發(fā)射效率和穩(wěn)定性而被提議用于構(gòu)建micro-LED顯示器。然而，它們的實際應用面臨限制，因為(1)伴隨像素小型化導致的效率下降，這使得像素尺寸的下限約為30 μm，以及(2)可擴展性中等，受到低效的傳輸技術(shù)的阻礙。這些挑戰(zhàn)促使人們探索替代材料系統(tǒng)，例如金屬鹵化物鈣鈦礦和膠體量子點，這些系統(tǒng)為高分辨率圖案化和可擴展制造提供了潛力。其中，鈣鈦礦材料以其較長的載流子擴散長度和較高的發(fā)射效率而著稱，這使得薄膜器件的電致發(fā)光(EL)效率達到了創(chuàng)紀錄的28.9%。盡管如此，這些器件中鈣鈦礦的多晶性質(zhì)導致表面不穩(wěn)定、發(fā)射不均勻和電子傳輸效率低下，這與微型LED配置不兼容。

與多晶鈣鈦礦相比，單晶鈣鈦礦表現(xiàn)出數(shù)量級的缺陷密度抑制和提高的載流子遷移率。對于Micro-LED應用，需要將上述優(yōu)點與亞微米厚度集成在一起以實現(xiàn)高效的輻射復合，并具有大面積連續(xù)膜以實現(xiàn)高效的載流子傳輸?shù)膯尉П∧ぁＭ庋邮且环N通過晶格匹配生長取向單晶薄膜的技術(shù)，在半導體工業(yè)中至關(guān)重要。該策略已被引入鈣鈦礦中，用于生長用于器件應用的晶體薄膜。然而，以前的方法，例如溶液處理同質(zhì)外延、范德華(vdW)外延和原子異質(zhì)外延，都受到中等晶粒尺寸和/或轉(zhuǎn)移過程中不可避免的材料損壞的限制。遠程外延是一種利用范德華中間層同時實現(xiàn)外延生長和外延層釋放的策略，它促進了III-V族半導體、復合氧化物和鈣鈦礦的大規(guī)模制造和高效轉(zhuǎn)移，并應用于器件。為了將遠程外延鈣鈦礦集成到微型LED中，需要具有消除晶粒邊界、大面積和亞微米厚度的外延膜，而這尚未實現(xiàn)。

02 創(chuàng)新成果

中國科學院理化技術(shù)研究所吳雨辰研究員、吉林大學邱宇辰研究員、中國科學技術(shù)大學鳳建崗研究員等研究人員報道了由遠程外延結(jié)晶鈣鈦礦薄膜構(gòu)建的微型LED顯示器。利用石墨烯中間層和藍寶石襯底，實現(xiàn)了面積為4 cm2的鈣鈦礦薄膜的遠程外延生長，消除了晶界和純平面外晶體取向，從而可以快速從襯底上釋放并集成到LED設(shè)備中。這些獨立的鈣鈦礦薄膜支持微型LED，其外部量子效率(EQE)高達16.7%，亮度為4.0 × 105?cd m-2，顯示分辨率高，最小像素尺寸可低至4 μm。這些最先進的鈣鈦礦微型LED受益于外延鈣鈦礦薄膜固有的缺陷密度抑制、電子傳導通道短、表面穩(wěn)定、發(fā)光均勻和光學平坦性等獨特優(yōu)勢。值得注意的是，結(jié)晶膜可以與電子背板集成，構(gòu)建微型LED顯示器，每個像素均可獨立動態(tài)控制，用于靜態(tài)圖像和視頻顯示。該研究成果為外延鈣鈦礦與LED電子設(shè)備的單片集成提供了一個新平臺，用于明亮、高效和均勻的光發(fā)射，從而創(chuàng)建像素小于10 μm的超高分辨率微型LED顯示器。

相關(guān)研究成果2025年1月15日以“Remote epitaxial crystalline perovskites for ultrahigh-resolution micro-LED displays”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology上。

03 核心創(chuàng)新點

遠程外延生長技術(shù)：研究團隊開發(fā)了一種遠程外延生長技術(shù)，通過在藍寶石基底上引入亞納米級石墨烯中間層，實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的遠程外延生長。這種技術(shù)不僅消除了晶界，還實現(xiàn)了薄膜的快速釋放和無縫集成，制備出的鈣鈦礦薄膜面積達4平方厘米，且具有純的面外晶體取向。

高性能微-LED：利用這種遠程外延生長的鈣鈦礦薄膜，研究團隊制備了高性能的微-LED，其外部量子效率（EQE）達到16.7%，亮度高達4.0 × 105?cd m?2，像素尺寸可小至4微米，實現(xiàn)了超高分辨率顯示。

應變弛豫機制：通過石墨烯中間層，研究團隊實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的應變弛豫，顯著提高了薄膜的晶體質(zhì)量。這種應變弛豫機制不僅適用于CsPbBr3，還擴展到了其他鈣鈦礦成分，如CsPbCl1.3Br1.7，進一步拓寬了鈣鈦礦的應用范圍。

成分工程：研究團隊通過改變鹵素的化學計量比，成功調(diào)控了鈣鈦礦的成分，實現(xiàn)了從3.00 eV到1.94 eV的帶隙調(diào)控。這為全色微顯示技術(shù)的發(fā)展提供了可能。

04 數(shù)據(jù)概覽

圖1.用于單晶微型LED的遠程外延鈣鈦礦

圖2.CsPbBr3鈣鈦礦薄膜的遠程外延

圖3.外延鈣鈦礦的成分工程

圖4.用于微型LED的外延鈣鈦礦

05 成果啟示

這項研究報道了用于微型LED應用的取向鈣鈦礦的遠程外延生長。我們實現(xiàn)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。這些最先進的微型LED顯示器受益于高結(jié)晶度和松弛應變以實現(xiàn)高性能，而鈣鈦礦外延層的快速釋放和最小損傷實現(xiàn)了器件集成。預計可以通過集成多個鈣鈦礦組件來構(gòu)建全彩微型LED顯示器。這些外延鈣鈦礦的晶體平整度、亞波長厚度和均勻發(fā)光也有利于它們與納米光子結(jié)構(gòu)（如共振超表面和光子晶體）的單片集成，以創(chuàng)建具有強光-物質(zhì)相互作用和可編程光維度（如方向、偏振、相位和軌道角動量）的電注入光子裝置。