多功能LED面板
■如果手機螢幕每個像素都能偵測外界光源且同時發光有什麼好處？
撰文｜方程毅
有些智慧型手機具備自我調節螢幕亮度的能力，從室外進到陰暗的室內，螢幕亮度會自動變暗。但這類自我調節亮度的功能都是整片螢幕調節，如果有個更聰明的螢幕，當你站在樹蔭下，樹影剛好遮住一半螢幕，被遮住的一半會自動變暗讓螢幕看起來更均勻，是不是更方便呢？
其實這功能聽起來有點多餘，往旁邊站一步避開樹蔭就好了，但讓每個像素都能感光還有更廣泛的應用。例如：能感光的元件代表可以做成太陽能電池，讓螢幕在使用的同時每個像素還能自己充電；除此之外，能收光又能發光便具備了當通訊元件的要素，讓螢幕之間可以互相「溝通」。伊利諾大學香檳分校(University of Illinois at Urbana Champaign) 材料系Moonsub Shim教授實驗室最近研發出新型的LED元件，在發光的同時也具備感光能力，其研究結果刊登在《科學》(Science) 期刊，Youtube上的影片簡單介紹了這項研究的原理及應用。
這個元件所使用的材料為硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)及硒化鋅(ZnSe)，結構類似一根狗骨頭，大小約3奈米。硫化鎘(CdS)奈米柱負責傳導電子；硒化鎘(CdSe)及硒化鋅(ZnSe)形成核殼結構(core-shell)負責傳導正電荷。這樣的結構具有特殊的能帶(Band Structure)，使其能發光及收光。
(用比較學術一點的講法：不同材料的異質接面，其能帶如何相接 (Energy band alignment)決定了電子電洞在材料裡的行為。硒化鎘 (CdSe)殼結構與兩個材料的接面都會形成的type I straddling band offset可以困住電子電洞對，讓他們傾向結合並發光；硫化鎘 (CdS)及硒化鋅 (ZnSe)會形成type II staggered band offset，讓元件因吸收光子產生的電子電洞對傾向分離形成電流。維基條目：Heterojunction裡的Energy band alignment有band offset的簡易描述。)
發光跟收光是互斥的行為，通常要發光會對元件施正偏壓注入電流(電轉光)；反之，收光施負偏壓，元件接收光子後電子電洞對分離形成電流便能偵測電訊號(光轉電)。一個元件不可能同時有兩個方向的電流，因此Moonsub Shim教授開發的LED是讓偏壓不斷正負交錯，所以可以在發光及收光間快速轉換，只要正負交錯的頻率大於人眼接收頻率，就像個一直發光的物體同時也在收集光子轉換成電流。
影片中正在發光的像素其頻率都超過人眼極限，因此才能根據外界光線變化直接調整明暗。也因此，未來甚至可能發展出非觸控式螢幕，手指經過便可以控制。
Moonsub Shim教授表示：「這個元件面對光產生的反應跟太陽能電池類似，所以不僅能增加使用者及螢幕的互動性，更能同時收集外界光照。可以想像手機放在旁邊的同時就自動充電，如此一來便免去多安裝太陽能電池在手機上的麻煩。雖然在實現這個想法前，還有許多問題要克服，但我們相信我們能增加其收集能量的效率卻又不損及LED的表現，如此一來手機就可以來用自己的螢幕充電。」影片中一個像素都還有成千上萬的小奈米柱，並不是一個三奈米狗骨頭狀的元件就是一個像素，三奈米元件發出來的光太弱了。
目前Shim教授指研發出紅色的LED，但要做成顯示器勢必要有三原色，這也是研究團隊努力的目標。
原始論文：Oh, Nuri, Bong Hoon Kim, Seong-Yong Cho, Sooji Nam, Steven P. Rogers, Yiran Jiang, Joseph C. Flanagan et al. "Double-heterojunction nanorod light-responsive LEDs for display applications." Science 355, no. 6325 (2017): 616-619.
參考資料：
- Oh, Nuri, Sooji Nam, You Zhai, Kishori Deshpande, Pete Trefonas, and Moonsub Shim. "Double-heterojunction nanorods."Nature communications 5 (2014).
- UIUC research news: Dual-function nanorod LEDs could make multifunctional displays
- wikipedia：Heterojunction
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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。
