基于钙钛矿量子点的光传感和显示双功能LED器件的制作

随着人们对多功能、智能电子设备的需求日益增加，交互式显示在现实生活的应用前景也更加广阔。目前，集成多种功能于一体的交互式显示设备已成为显示技术的发展趋势。钙钛矿量子点（PQD）出色的发光性能使其成为下一代广色域显示器的理想发光材料。

据麦姆斯咨询报道，近日，福州大学光电显示技术研究所、中国福建光电信息科学与技术创新实验室、温州理工学院以及福建师范大学海峡柔性电子（未来科技）学院（研究所）的研究人员设计并制作了一款基于钙钛矿量子点的光传感和显示双功能LED器件：SD-PQLED。该器件可作为输出端口显示信息，同时作为输入端口感知外部光信号，并以非接触方式调制显示信息。双重功能得益于该器件的设计：（1）器件中的空穴传输层作为光传感层吸收外部光信号；（2）引入的空穴捕获层界面，可捕获来自光传感层的空穴，从而调节电荷传输特性和发光强度。具有不同时空信息的光信号可进一步调制器件的传感和显示能力。这种传感和显示功能的融合在非接触式交互屏幕和通信端口中具有广阔的前景。

图1 （a）光交互显示器的概念图，光笔沿着红色箭头所示路径照亮显示器像素，实现显示器上的“光写入”；（b）i. 基于光交互层和发光层的SD-PQLED原理图；ii. 光交互层和器件光电流的机理图；（c）四像素SD-PQLED的光交互显示概念图。

图2 （a）CsPbBr3钙钛矿量子点的晶格结构示意图；（b）钙钛矿量子点的高分辨透射电镜（HRTEM）图像；（c）钙钛矿量子点的光致发光（绿线）和吸收（黑线）光谱，插图为钙钛矿量子点油墨的光致发光照片；（d）钙钛矿量子点的X射线衍射（XRD）光谱；（e）钙钛矿量子点油墨的光致发光衰减曲线；（f）SD-PQLED原理图；（g，h）横截面透射电镜（TEM）图像，显示了多层器件之间的清晰度对比。

研究人员制备了由氧化铟锡（ITO）/聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）/聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺]（PTAA）/钙钛矿量子点/1,3,5-三（1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基）苯（TPBi）/氟化锂（LiF）/铝（Al）组成的器件，其中1,3,5-三（1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基）苯、氟化锂和铝层通过热真空沉积制备，其余层依次旋涂在预制的氧化铟锡上。绿色CsPbBr3钙钛矿量子点作为发光层，聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺]和1,3,5-三（1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基）苯作为空穴和电子传输层，氧化铟锡和铝分别作为器件的阳极和阴极。然后，他们在聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）和聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺]之间引入了硫氰化铜（CuSCN）层作为空穴提取层（图2f）。该器件的横截面透射电镜图像显示出清晰的功能层边界，如图2（g~h）所示。

图3 （a）SD-PQLED的能带图；（b）器件的电致发光谱，插图是该器件的电致发光照片；（c）器件对应的国际照明委员会（CIE）色度坐标；（d）器件的J-V-L特性；（e）器件的外量子效率（EQE）作为电流密度的函数；（f）器件的发光效率（LE）和功率效率（PE）作为电流密度的函数；沉积在氧化铟锡基底上的硫氰化铜（g）、PTAA（h）和CuSCN/PTAA薄膜（i）的原子力显微镜（AFM）形貌图。

SD-PQLED的光交互特性可以通过紫外光（UV）不同的照射时长及照射强度进一步调制，这对于传感器显示非常重要。不同照明时长调制下器件的电流变化如图4c所示。当将光信号强度固定在每平方厘米79毫瓦，并将照明时长依次调整为10秒、12秒、15秒和17 秒时，器件的电流随着照明时长的增加不断增大。当照射17秒时，器件电流比初始值增加了95%（图4e）。研究人员还研究了光照强度对器件电流的影响（图4d）。在相同的光照时长下，随着光信号强度从每平方厘米63毫瓦增加到129 毫瓦，器件的电流增加率从60%增长到100%（图4e）。这是因为照明强度反映了光信号的空间信息，确定了单位时间内光生载流子的量，并引发器件中的电流变化。当光信号被移除时，所有电流都显示出轻微的衰减，并未恢复到原来的水平，这意味着该器件可以记忆之前的光交互状态，并将其显示出来。

图4 （a）PTAA（顶部）和CuSCN/PTAA（底部）膜的电容随时间变化（灯打开和关闭）的曲线，插图显示了不同功能层的工作机制；（b）SD-PQLED在紫外光刺激下的工作机理图；（c）不同照明时长下的器件电流；（d）不同光强度照射下SD-PQLED的电流曲线；（e）不同照明强度（底部）和不同照明时长（顶部）电流的变化率；（f）器件在周期性紫外光（UV）刺激下的典型光学开关特性。

综上所述，研究人员制备了基于钙钛矿量子点的LED器件，该器件可以在非接触模式下实现传感和显示的双重功能应用。在该论文中，研究人员引入了空穴提取层（CuSCN）来捕获源自聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺]层的光生空穴，并调整电荷传输特性。该器件的传感和显示行为可通过不同时空信息的光信号进一步调制。结果表明，单次光刺激后，该器件实现了9.7%的外量子效率最大峰值，电流和亮度分别提高了118%和108%（4伏电压），具有出色的光交互和显示能力。该传感和显示双功能器件不仅可以增强已有的显示能力，还能将多功能集于一体。得益于溶液处理能力和超高色纯度多色钙钛矿量子点的最新发展，这类由大量SD-PQLED组成的显示器在非接触交互式屏中具有广阔的发展前景。

审核编辑：郭婷