偏振光在許多應(yīng)用中都至關(guān)重要，包括液晶顯示器(LCD)的背光模組、光通信中的偏振復(fù)用等。然而，通過(guò)光學(xué)偏振器產(chǎn)生偏振光的傳統(tǒng)方法會(huì)降低至少 50% 的光強(qiáng)。開(kāi)發(fā)具有本征偏振發(fā)射的發(fā)光材料是近年的研究熱點(diǎn)。
廈門(mén)大學(xué)半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室陳忠教授、吳挺竹副教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種RGB偏振發(fā)射器件。該器件采用具有本征偏振發(fā)射特性的藍(lán)色半極性micro-LED作為激發(fā)光源，色轉(zhuǎn)換層為綠色CsPbBr3鈣鈦礦納米棒和紅色CsPbI3-Cs4PbI6納米晶拉伸聚合薄膜，如圖1所示。除了封裝在聚合物薄膜中的CsPbBr3納米棒由于各項(xiàng)異性結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)偏振綠光發(fā)射外，由混合 NC 形成的對(duì)齊線 (AW) 結(jié)構(gòu)由于其高介電常數(shù)也表現(xiàn)出強(qiáng)各向異性發(fā)射。該器件中，藍(lán)、綠、紅三色的偏振度分別達(dá)到0.26、0.48和0.38，對(duì)應(yīng)透過(guò)偏振器的效率為63%、74%和69%。這意味著該RGB偏振器件作為背光源時(shí)能夠顯著提升整體模組的能量利用效率。且由于半極性器件在高注入下更高的發(fā)光效率，該器件應(yīng)用于大功率顯示器的背光源時(shí)優(yōu)勢(shì)將更明顯。
圖1 基于半極性藍(lán)色micro-LED 激發(fā)各向異性鈣鈦礦色轉(zhuǎn)換層的全彩偏振背光器件 該團(tuán)隊(duì)通過(guò)合成CsPbBr3鈣鈦礦納米棒并嵌入EVA聚合物制備綠色色轉(zhuǎn)換層。通過(guò)機(jī)械拉伸的方式使納米棒更好的對(duì)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)各向異性發(fā)射，并測(cè)得CsPbBr3納米棒拉伸薄膜的偏振度為0.44。 紅色發(fā)光的CsPbI3鈣鈦礦在自然環(huán)境下穩(wěn)定性很差。值得注意的是，封裝在Cs4PbI6晶體基質(zhì)中的γ-CsPbI3納米晶的穩(wěn)定性將顯著增強(qiáng)。此外，Cs4PbI6的高介電常數(shù)有望提高發(fā)射的各向異性。同樣，該團(tuán)隊(duì)基于EVA聚合物制備了CsPbI3-Cs4PbI6復(fù)合薄膜。經(jīng)過(guò)藍(lán)光老化測(cè)試，CsPbI3-Cs4PbI6復(fù)合薄膜表現(xiàn)出良好的相穩(wěn)定性。在色轉(zhuǎn)換薄膜中，EVA聚合物與鈣鈦礦材料之間存在相互作用的官能團(tuán)，因此嵌入聚合物的納米晶在拉伸過(guò)程中將沿著EVA分子鏈遷移并線性排列，形成各項(xiàng)異性結(jié)構(gòu)。拉伸前復(fù)合膜中未觀察到發(fā)射偏振，而拉伸后復(fù)合膜的偏振度為0.37。與基于純CsPbI3制成的拉伸薄膜對(duì)比，混合納米晶由于更高的介電常數(shù)而具有更高的偏振度。 RGB 偏振器件的制造過(guò)程如圖2（a）所示，使用半極性藍(lán)色 μLED 陣列作為激發(fā)光源，依次激發(fā)CsPbBr3納米棒薄膜和CsPbI3-Cs4PbI6納米晶薄膜。器件照片如圖 2（b） 所示。發(fā)射光譜顯示出位于 451、525 和 676 nm 的三個(gè)主峰（圖2（c））。此外，RGB偏振器件表現(xiàn)出覆蓋137.2％的NTSC和102.5％Rec. 2020的寬色域，如圖2（d）所示。該工作以“Self-polarized RGB device realized by semipolar micro-LEDs and perovskite-in-polymer films for backlight applications”為題發(fā)表在Opto-Electronic Advances 2024年第3期。 圖 2 所提出的 RGB 偏振器件實(shí)現(xiàn)寬色域發(fā)射 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展情況 目前，工業(yè)薄膜雙向同步拉伸設(shè)備已具備生產(chǎn)大型拉伸聚合物薄膜的能力。此外，半極性藍(lán)光LED器件也已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。目前，該成果已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行初步產(chǎn)業(yè)化，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)面向LCD顯示應(yīng)用的高效率背光模組。已經(jīng)與包括海信集團(tuán)有限公司、京東方顯示照明公司等達(dá)成了初步合作意向。 應(yīng)用前景 與目前專注于研究單色光偏振的工作相比，該RGB全彩偏振器件的藍(lán)、綠和紅分量都表現(xiàn)出明顯的偏振性。且該背光源方案采用藍(lán)色芯片來(lái)激發(fā)紅色和綠色轉(zhuǎn)換層，無(wú)需過(guò)濾額外的紫外線成分，可最大限度地提高能量利用率。由于具有局部調(diào)光功能，micro-LED背光器件具有高動(dòng)態(tài)范圍特性。此外，半極性micro-LED器件相比于c面生長(zhǎng)的器件具有本征偏振發(fā)射特性，且具有更高的色穩(wěn)定性和較低的效率下降。同時(shí)，這項(xiàng)工作中的鈣鈦礦-EVA薄膜具有良好的延展性，易于拉伸且穩(wěn)定性高，適合用于產(chǎn)業(yè)化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)用于液晶顯示器背光的鈣鈦礦量子點(diǎn)色彩增強(qiáng)轉(zhuǎn)換拉伸膜的規(guī)模化制造。該器件中，藍(lán)、綠、紅三色的偏振度分別達(dá)到0.26、0.48和0.38，對(duì)應(yīng)透過(guò)偏振器的效率為63%、74%和69%。 這意味著該RGB偏振器件作為背光源時(shí)，相比于傳統(tǒng)非偏振背光源，通過(guò)偏振模組的能量利用效率能夠綜合提升約37%，有望應(yīng)用于LCD顯示器的背光模組、光通信中的偏振復(fù)用、超靈敏光電探測(cè)器和光量子計(jì)算等領(lǐng)域。總之，這項(xiàng)研究為RGB偏振光電器件的開(kāi)發(fā)提供了新穎的策略。 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：吳挺竹 
廈門(mén)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師。福建省杰青、福建省、廈門(mén)市高層次人才。廈門(mén)大學(xué)2023年“我最喜愛(ài)的十位老師”。福建省光電照明與顯示企業(yè)服務(wù)型制造公共服務(wù)平臺(tái)主任、福建省 LED 照明與顯示行業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)基地副主任、中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、全國(guó)照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員。主持包括國(guó)家級(jí)、省級(jí)、橫向科研項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)超900萬(wàn)元；近5年以第一/通訊作者在Opto-Electronic Advances、Small、Photonics Research、ACS Photonics、IEEE EDL、Optics Express等國(guó)際高水平期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文逾40篇，其中2篇論文入選ESI高被引論文；以第一完成人獲得5項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利；以第一完成人獲2021年度廈門(mén)市科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，以主要完成人獲得2018年度福建省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。
研究方向
Micro-LED顯示技術(shù)，LED照明與顯示，健康照明與顯示，可見(jiàn)光通信技術(shù)半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室（Solid-State Lighting Laboratory）
網(wǎng)址：https://ssl.xmu.edu.cn
（來(lái)源：廈大科創(chuàng)夢(mèng)工場(chǎng)）
