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 alignmentband 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:

  1. Oh, Nuri, Sooji Nam, You Zhai, Kishori Deshpande, Pete Trefonas, and Moonsub Shim. "Double-heterojunction nanorods."Nature communications 5 (2014).
  2. UIUC research news: Dual-function nanorod LEDs could make multifunctional displays
  3. 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。

 

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