ACS Nano：Si微米線-ZnO納米薄膜基的柔性LED陣列器件

【引言】

Si是最具有代表性的半導體材料，進入信息時代以來，Si作為第一代半導體材料在二極管，CMOS等方面取得了長足的發展。近年來柔性器件由于其可彎曲性、能更好的的貼合在物體表面的性能逐漸引起人們的關注，當然，硅還是首選的基底材料。但是，由于Si的性質較脆和較弱的光電子學性能，使得研究制備柔性基底的LED陣列成為了一大挑戰，同時這一挑戰也引起了研究人員的研發熱情。

【成果簡介】

來自清華大學材料學院的朱靜院士、中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士、潘曹峰研究員（共同通訊作者）等人研制出了集柔性、穩定、質量輕和可進行能量收集等優點為一身的Si微米線-ZnO納米薄膜基的柔性LED陣列器件，該器件可以用作測二維壓力分布的作壓力傳感器。基于壓電效應，柔性LED陣列亮度可以提高三倍（在低于60Mpa的壓力下）。此外，該器件性能穩定并可進行能量收集實現自供電，在1000次彎曲循環和在空氣中放置6個月之后依然可以很好地工作。且該柔性LED陣列器件的功耗僅是平常LED功耗的8%。這種柔性硅基器件具有廣闊的應用并且有可能引發柔性顯示屏、觸屏技術和智能皮膚相關的技術革命。

【圖文導讀】

圖1.柔性聚合物/Si/ZnO LEDs陣列器件的制備過程

（a-e）垂直Si微米線陣列的轉移過程

（f）柔性聚合物/Si/ZnO LEDs陣列器件的原理圖

圖2.柔性LED陣列結構特點

（a）Si微米線的SEM側面圖，其中的小插圖是Si微米線的俯視圖，標尺為15um

（b）轉移中的柔性LED陣列器件和Si襯底的示意圖

（c）聚合物/Si微米線陣列聚合物薄膜的背面

（d）轉移的柔性薄膜，可卷成圓筒狀

（e）轉移后的Si徹底的SEM圖

（f）在10V電壓下的LED陣列的光學圖像

圖3.柔性LED陣列器件的柔韌度

（a）柔性LED陣列器件結構示意圖

（b）LEDs的不同區域的發光亮度

（c）在不同彎曲角度下的I-V曲線

（d）在1MHz頻率下的脈沖電壓作用下，LEDs陣列器件在連續亮24h以后的不同LEDs的發光亮度

（e）在1000次循環后的LED陣列器件的機械穩定性

圖4.柔性LED陣列器件的發光性能

（a）在不同輸入電流下柔性器件的EL光譜

（b）當輸入電流為30mA時，用高斯方程來計算光譜的峰值

（c-f）比較三種不同但相似的ZnO/Si LED陣列器件的不同點：（d）SC LED，（e）DCSS，（f）柔性LED

圖5.LED陣列器件的工作機理及其壓電發光的增強效應

（a）柔性LED陣列器件測試壓力分布的工作機制

（b）天藍色的NANO圖案，標尺150um

（c）LED上的壓力分布顯示NANO圖案

（d）在沒有偏置電壓和沒有應力作用下的柔性LED陣列器件的能帶結構圖

（e）在有偏置電壓和應力作用下的柔性LED陣列器件的能帶結構圖

（f）在不同壓力下LEDs陣列器件的壓力分布圖（通過亮度來顯示）

【小結】

該研究團隊在室溫下設計制造了Si微米線陣列來制備n-ZnO/p-Si 異質結LEDs，該器件具有柔性、長使用壽命和自供電及發出可見光亮度較強等優點。該LEDs陣列有很好的機械柔性，在開關次數超過10¹¹和持續發光24h后依然可以很好的工作。與傳統的SC LED相比柔性LEDs相當的節能。當其在60Mpa的壓力作用下LEDs陣列器件的EL亮度會增大3倍以上。根據LEDs的增強發光區可以用來測定壓力分布。

文獻鏈接：Flexible Light Emission Diode Arrays Made of Transferred Si Microwires-ZnO Nanofilm ith Piezo-Phototronic Effect Enhanced Lighting (ACS Nano, 2017, DOI:?10.1021/acsnano.7b00272)?

本文由材料人電子電工學術組王嬋供稿，材料牛整理編輯。

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