自然界中的大多数光源，远及闪闪繁星，近至点点飞萤，明如炎炎赤日，暗似幽幽烛火，都具有三维立体（3D）的几何形状。这使得它们在许多方面都优于人工制造的平面光源，尤其是在亮度分布的空间均匀性方面。然而，目前主流的发光显示技术，例如有机发光二极管（OLED）、量子点发光二极管（QLED）和液晶显示（LCD）等，均与3D基板不兼容。因此，迄今为止还没有3D LED被展示出来。同时，对于传统的钙钛矿LED器件制备工艺（溶液旋涂法），钙钛矿成膜的不均匀性以及材料的不稳定性大大地限制了基板尺寸，使得制造出大面积或非平面LED器件具有巨大的挑战。

图1. 在各种基底生长的钙钛矿量子线阵列的荧光照片以及量子线LED的示意图。

鉴于此，香港科技大学范智勇教授团队及其合作者开发出了一套崭新的器件制备工艺，利用近空间气相反应在疏水的多孔氧化铝模板中制备得到了具有较高光致发光效率（92%）以及超高稳定性（大气环境下的TPL50约5,644小时）的钙钛矿量子线阵列。此生长方法具有高度的普适性（如图1所示）。一方面，钙钛矿量子线的化学组分可以随意调控，使其光致发光波段可以覆盖整个可见光范围。另一方面，其在大面积（如4英寸晶圆大小）的刚性、柔性、平面以及3D衬底上均具有超高均匀性。更进一步，研究团队基于此钙钛矿量子线阵列制备得到了高性能平面以及世界首个3D球形LED器件（如图2所示）。其平面小尺寸器件在大气环境下，可实现最高31,667 cd m-2的亮度及16.9小时的工作寿命（100 cd m-2的初始亮度，交流驱动）。而其平面的大尺寸（4英寸晶圆大小）器件则具有非常高的均匀性，为今后的大面积显示应用提供了新途径。同时，其独特的3D球形LED器件在4π空间具有非常均匀的亮度分布，完美地解决了传统平面器件在空间亮度分布上的弊端。显然，此研究报道的钙钛矿量子线阵列及其LED器件有望成为下一代照明显示材料与器件的有利竞争者。

图2. 基于钙钛矿量子线阵列的4英寸晶圆大小及3D球形LED器件. a 和 b, 4英寸晶圆级LED器件的结构示意图和电致发光图. c-d, 3D球形LED器件的结构示意图、电致发光图和空间亮度分布图。

相关研究成果于2022年3月31日以“Large-scale planar and spherical light-emitting diodes based on arrays of perovskite quantum wires”为题发表在Nature Photonics上。张大全博士为论文第一作者，张千鹏博士为论文第二作者，范智勇教授为唯一通讯作者，香港科技大学为唯一通讯单位，合作单位有南方科技大学、瑞典隆德大学、香港城市大学、中山大学。

来源：半导体学报公众号