原子级薄度的新型发光器件：有望打造透明显示屏

导读

近日，美国加州大学伯克利分校开发出一种毫米宽的明亮发光器件，而它在关闭时是完全透明的。这种器件中的发光材料是一种仅有三个原子厚度的单层半导体。

背景

透明显示屏，让你不仅可以看到屏上显示的内容，而且还可以透过显示屏看到它背后的东西。许多科技巨头与科研机构都在基于LCD、LED、OLED 等技术，开发带有透明显示屏的消费电子产品，例如：三星、LG、平达系统公司、MIT等等。这些产品包括：手持设备、电视、橱窗屏幕、增强现实设备等。

（图片来源：三星）

（图片来源：MIT）

创新

近日，美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的工程师们设计出一种毫米宽的明亮发光器件，而它在关闭时是完全透明的。这种器件中的发光材料是一种仅有三个原子厚度的单层半导体。

（图片来源：Javey lab）

美国加州大学伯克利分校博士后研究员、论文第一作者 Der-Hsien Lien 表示：“这种材料非常薄且柔，使得设备可以做成透明的，并能适应曲面。” 论文的共同第一作者还包括：加州大学伯克利分校计算机科学与电气工程系博士后 Matin Amani 和 Sujay Desai。

他们的研究于3月26日发表在《自然通信（Nature Communications）》杂志。这项研究由美国国家科学基金会和美国能源部赞助。

技术

该器件由加州大学伯克利分校计算机科学与电气工程学院教授 Ali Javey 的实验室开发。2015年，Javey 实验室将相关研究发表于《科学（Science ）》杂志上，展示了单层半导体能够发出明亮光线，但是离实现发光器件的目标还差了一点点。然而，发表在《自然通信》杂志上的新研究，克服了在单层半导体上利用LED技术的根本障碍，将此类器件的尺寸从不足人类发丝的宽度扩大至几毫米。这意味着，科研人员能够保持住这种小厚度，而让横向尺寸（宽和长）更大，因此光照强度可以达到很高。

商用的LED是由注入正电荷和负电荷的半导体材料组成，当正负电荷相遇时会发出光线。在基于半导体的发光器件中，会使用两个接触点：一个用于注入带负电的粒子，另外一个用于注入带正电的粒子。对于LED来说，制造能有效注入这些电荷的接触点，是一个根本性挑战，而对于单层半导体来说则更具挑战性，因为可使用的材料很少。

加州大学伯克利分校的科研团队设计出一种应对这一挑战的方案，他们设计了一种在半导体上的仅需一个接触点的新器件。他们将半导体单层放置到绝缘体上，并在单层之上和绝缘体之下放置电极，并施加交流信号穿过绝缘体。当交流信号从正到负（反之亦然）切换其极性时，正电荷和负电荷会同时在半导体中出现，产生光线。

（图片来源：参考资料【2】）

（图片来源：参考资料【2】）

研究人员在四个不同的单层材料中展示了这一机制，所有这些材料都会发出不同颜色的光线。

价值

该设备为墙与窗户上的透明显示屏打开了大门，这种显示器在打开时是明亮的，而关闭时是透明的。研究人员称，这种显示器未来或将应用于发光纹身、印刷在墙上甚至人体皮肤上的超薄透明显示屏等产品。

未来

这种器件处于概念验证阶段，许多研究工作都在继续，主要是为了提高效率。测量器件的效率并不简单，研究人员认为它的效率约为1%，而商用的LED效率在25%到30%左右。

Javey 表示：“为了将这一技术推向实际应用，还有许多工作要做，许多挑战要克服。然而，我们展示了一种可以很轻松地将两种电荷注入到单层半导体中的设备架构，标志着向前迈出了一步。”

关键字

半导体、显示屏、光学

参考资料

【1】http://news.berkeley.edu/2018/03/26/atomically-thin-light-emitting-device-opens-the-possibility-for-invisible-displays/

【2】Der-Hsien Lien, Matin Amani, Sujay B. Desai, Geun Ho Ahn, Kevin Han, Jr-Hau He, Joel W. Ager III, Ming C. Wu & Ali Javey. Large-area and bright pulsed electroluminescence in monolayer semiconductors. Nature Communications, 2018 DOI: 10.1038/s41467-018-03218-8