局部表面等离子体-石墨烯协同作用在微LED中实现高效的量子点颜色转换

《ACS Photonics》：Local Surface Plasmon–Graphene Synergy for Efficient Quantum Dot Color Conversion in Micro-LEDs

蓝μLED中量子点层集成金纳米网状结构和石墨烯夹层，通过局域表面等离子体共振增强光吸收与辐射复合，同时石墨烯高效传输光生载流子至量子点，协同作用使色转换效率达92%，较传统结构提升25%。

　　在当前的微型发光二极管（μLED）显示技术中，实现全彩显示一直是研究的重点和难点之一。传统方法通常通过异质集成的方式，将蓝、绿、红三种颜色的μLED分别集成在驱动基板上，以实现多色光的输出。然而，这种方法在制造过程中存在诸多挑战，包括复杂的工艺流程、较低的器件良率以及不同颜色μLED之间的兼容性问题。特别是基于铝镓磷（AlGaInP）材料的红色μLED，其外部量子效率较低，限制了整体显示性能。因此，研究者们开始探索更为简便且高效的方法，以克服这些障碍。

近年来，量子点（QD）作为光转换材料被广泛应用于μLED显示系统中。通过在μLED的发射面上引入QD层，可以实现对光的颜色转换，从而简化了全彩显示的实现路径。然而，QD层的引入也带来了新的问题，例如QD与μLED多量子阱（MQW）层之间存在较大的空间距离，导致光子在到达QD之前发生显著的损失。此外，QD本身可能存在的内在缺陷态会引发非辐射复合，进一步降低光子利用效率，从而限制了QD基μLED显示的性能表现。

为了解决这些问题，研究团队提出了一种创新的结构设计，即在QD层中引入纳米间隙金纳米颗粒（AuNNPs）和石墨烯中间层，形成一种QD/AuNNP-Graphene-QD/AuNNP的多层结构。这种结构不仅能够提升QD的吸收效率，还能通过增强的载流子传输和辐射复合来改善其发光性能。具体而言，AuNNPs利用其局域表面等离子体共振（LSPR）特性，能够在QD周围产生强烈的局部电场，从而促进光子与QD之间的能量转移，提高QD的吸收效率。与此同时，石墨烯作为一种二维半导体材料，具有极高的载流子迁移率和广谱吸收能力，能够作为高效的载流子传输通道，将光生载流子从石墨烯传输至QD，进而提升其辐射复合率。

该研究的核心在于对AuNNPs和石墨烯协同作用的深入分析。实验结果显示，在注入电流密度为200 A/cm2的条件下，采用AuNNPs和石墨烯双层结构的QD层，其颜色转换效率（CCE）达到了92%，比传统QD层提高了25%。这一显著的性能提升不仅来源于LSPR对QD吸收的增强，还受益于石墨烯对载流子的高效传输。此外，研究还发现，石墨烯的引入能够有效减少QD中的非辐射复合现象，从而进一步提升光子的利用效率。

为了验证这一结构的有效性，研究团队通过一系列实验手段进行了详细分析。其中包括电致发光（EL）光谱、透射电子显微镜（TEM）图像、拉曼光谱以及光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）测量等。这些实验不仅揭示了AuNNPs和石墨烯在QD层中的分布情况，还展示了它们对QD吸收和发射过程的积极影响。例如，TRPL结果显示，石墨烯的引入显著缩短了QD层的载流子复合时间，表明其促进了载流子的快速转移和高效利用。同时，PL光谱的变化也表明，石墨烯的加入使得QD的发射光谱出现了蓝移现象，这可能与QD和石墨烯界面处新能量态的引入有关。

在光子吸收和发射的效率方面，实验数据进一步证明了该结构的优势。当仅引入AuNNPs时，QD层的颜色转换效率提高了23%；而仅引入石墨烯时，效率则提升了16%。相比之下，同时引入两者时，效率提升更为显著，达到了25%。这表明，AuNNPs和石墨烯在提升QD性能方面具有协同效应，能够共同优化光子的吸收、传输和辐射过程。

从结构设计的角度来看，这种QD/AuNNP-Graphene-QD/AuNNP的多层结构具有高度的可制造性和兼容性。与传统的异质集成方法相比，该结构不需要对μLED的原有设计进行大规模改动，从而降低了制造成本和复杂度。此外，由于石墨烯和AuNNPs的引入并未改变μLED的基本结构，因此在大规模生产过程中更容易实现一致性与稳定性。研究团队在实验中还发现，石墨烯的优异热导性能有助于均匀散热，使得QD层在高电流密度下仍能保持良好的工作状态，进一步提高了系统的稳定性和可靠性。

在光子传输路径方面，该结构设计通过将AuNNPs和石墨烯结合在QD层中，形成了一个更加高效的光子吸收和发射系统。AuNNPs的纳米间隙结构能够有效增强局部电场，使得光子更容易被QD吸收，并通过LSPR效应实现能量的高效转换。而石墨烯则通过其优异的导电性能，将光生载流子快速传输至QD，从而提升了QD的辐射复合率。这种协同作用不仅改善了QD的发光效率，还增强了整个μLED系统的光输出能力。

从实际应用的角度来看，这种结构设计在全彩显示领域展现出巨大的潜力。由于μLED本身具有高亮度、低功耗和高响应速度等优点，结合QD层的颜色转换功能，可以进一步提升其在显示设备中的表现。特别是在高分辨率显示需求日益增长的背景下，这种结构设计为实现更高质量的全彩显示提供了新的思路和解决方案。此外，该结构还具备良好的可扩展性，适用于不同尺寸和类型的μLED器件，为未来的大规模生产和应用奠定了基础。

研究团队还通过一系列对比实验，验证了该结构在不同条件下的稳定性。在高电流密度下，采用AuNNPs和石墨烯双层结构的μLED表现出更优的光输出性能和更高的颜色转换效率。这表明，该结构不仅能够提升QD的性能，还能够在实际运行中保持较高的稳定性和一致性，这对于显示设备的长期使用和可靠性至关重要。

总体而言，该研究通过创新的结构设计，成功地解决了传统QD基μLED显示中面临的光子损失和载流子复合效率低的问题。通过将AuNNPs和石墨烯引入QD层，不仅提升了QD的吸收和发射效率，还增强了整个系统的稳定性。这种多层结构的设计思路为未来的全彩μLED显示技术提供了重要的参考价值，同时也为相关领域的研究者提供了新的实验方向和理论依据。未来，随着材料科学和微纳制造技术的进一步发展，这种结构有望在更广泛的显示应用场景中得到推广和应用，推动μLED技术向更高性能和更低成本的方向发展。