ACS Nano：Si微米线-ZnO纳米薄膜基的柔性LED阵列器件

【引言】

Si是最具有代表性的半导体材料，进入信息时代以来，Si作为第一代半导体材料在二极管，CMOS等方面取得了长足的发展。近年来柔性器件由于其可弯曲性、能更好的的贴合在物体表面的性能逐渐引起人们的关注，当然，硅还是首选的基底材料。但是，由于Si的性质较脆和较弱的光电子学性能，使得研究制备柔性基底的LED阵列成为了一大挑战，同时这一挑战也引起了研究人员的研发热情。

【成果简介】

来自清华大学材料学院的朱静院士、中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士、潘曹峰研究员（共同通讯作者）等人研制出了集柔性、稳定、质量轻和可进行能量收集等优点为一身的Si微米线-ZnO纳米薄膜基的柔性LED阵列器件，该器件可以用作测二维压力分布的作压力传感器。基于压电效应，柔性LED阵列亮度可以提高三倍（在低于60Mpa的压力下）。此外，该器件性能稳定并可进行能量收集实现自供电，在1000次弯曲循环和在空气中放置6个月之后依然可以很好地工作。且该柔性LED阵列器件的功耗仅是平常LED功耗的8%。这种柔性硅基器件具有广阔的应用并且有可能引发柔性显示屏、触屏技术和智能皮肤相关的技术革命。

【图文导读】

图1.柔性聚合物/Si/ZnO LEDs阵列器件的制备过程

（a-e）垂直Si微米线阵列的转移过程

（f）柔性聚合物/Si/ZnO LEDs阵列器件的原理图

图2.柔性LED阵列结构特点

（a）Si微米线的SEM侧面图，其中的小插图是Si微米线的俯视图，标尺为15um

（b）转移中的柔性LED阵列器件和Si衬底的示意图

（c）聚合物/Si微米线阵列聚合物薄膜的背面

（d）转移的柔性薄膜，可卷成圆筒状

（e）转移后的Si彻底的SEM图

（f）在10V电压下的LED阵列的光学图像

图3.柔性LED阵列器件的柔韧度

（a）柔性LED阵列器件结构示意图

（b）LEDs的不同区域的发光亮度

（c）在不同弯曲角度下的I-V曲线

（d）在1MHz频率下的脉冲电压作用下，LEDs阵列器件在连续亮24h以后的不同LEDs的发光亮度

（e）在1000次循环后的LED阵列器件的机械稳定性

图4.柔性LED阵列器件的发光性能

（a）在不同输入电流下柔性器件的EL光谱

（b）当输入电流为30mA时，用高斯方程来计算光谱的峰值

（c-f）比较三种不同但相似的ZnO/Si LED阵列器件的不同点：（d）SC LED，（e）DCSS，（f）柔性LED

图5.LED阵列器件的工作机理及其压电发光的增强效应

（a）柔性LED阵列器件测试压力分布的工作机制

（b）天蓝色的NANO图案，标尺150um

（c）LED上的压力分布显示NANO图案

（d）在没有偏置电压和没有应力作用下的柔性LED阵列器件的能带结构图

（e）在有偏置电压和应力作用下的柔性LED阵列器件的能带结构图

（f）在不同压力下LEDs阵列器件的压力分布图（通过亮度来显示）

【小结】

该研究团队在室温下设计制造了Si微米线阵列来制备n-ZnO/p-Si 异质结LEDs，该器件具有柔性、长使用寿命和自供电及发出可见光亮度较强等优点。该LEDs阵列有很好的机械柔性，在开关次数超过10¹¹和持续发光24h后依然可以很好的工作。与传统的SC LED相比柔性LEDs相当的节能。当其在60Mpa的压力作用下LEDs阵列器件的EL亮度会增大3倍以上。根据LEDs的增强发光区可以用来测定压力分布。

文献链接：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) 

本文由材料人电子电工学术组王婵供稿，材料牛整理编辑。

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