最新納米棒LED技術，Li-Fi通訊或將成現實

2015年消費電子展以來，量子點技術的崛起，大有一副取代發光二極體（LED），成為新一代液晶顯示器（LCD）背光源的趨勢。

而如今，來自伊利諾伊大學香檳分校、韓國電子和電信研究所和陶氏化學的研究人員可能將給顯示技術再次帶來革命性的改變——他們研發出能夠發射和檢測光的納米棒，這些納米棒將可以直接用於製造顯示器的像素點，在此項技術的支持下，液晶顯示器（嚴格來說，用了此技術之後已經不再需要液晶）將不再需要背光。

例如，手機不需要攝像頭就可以捕捉畫面，而手機之間則可以通過屏幕發射並檢測光來實現「光保真通信」（Light Fidelity，簡稱Li-Fi）。

姆塞伯·辛（Moonsub Shim）是伊利諾伊大學香檳分校的教授，也是此項技術相關論文的合作者。他解釋說：「（這項技術）不同於那些包括量子點在內的背光顯示技術。在背光顯示器中，白色光源漫射到特定平面，然後通過濾光片得到紅、綠、藍三種顏色（即我們所說的rgb光譜）。相比之下，納米棒作為單個像素點，本身就可以發出指定顏色的光，因此無需背光。」

《Science》上發表的論文顯示，這支國際團隊混合使用三種不同類型的半導體來製造這些工程納米棒。辛教授解釋說：「納米棒包含了三種不同的半導體材料。第一種半導體在納米棒的頂端，被用作發射和吸收可見光的量子點。其他兩種半導體則被用以製作納米棒的主體和外殼，主要功能是控制從量子點「流出」的電子（負電荷）和空穴（正電荷）。」

構成納米棒主體和外殼的半導體材料都具有不允許電子或能帶存在的禁帶。當兩個半導體與量子點接觸後，納米棒發射和檢測光的效率都大大提高。

具體來說，在發光模式下，納米棒主體將電子有效地傳遞給量子點，並阻止空穴的逆向流動。同時，外殼將空穴傳遞給量子點，並阻止電子的反方向流動；在光檢測模式中，在光子產生電子-空穴對之後，納米棒主體捕捉電子，防止空穴逆流。同時，外殼半導體捕捉空穴，阻止電子反方向移動。

辛教授進一步解釋道： 「對於LED、光電探測器和光伏器件來說，我們必須注入正電荷和負電荷到量子點使之發光，或者捕捉光子撞擊產生的電子- 空穴對來產生電流。納米棒主體和外殼的作用在於促使電荷移動到正確的位置，因此提高發光或者檢測光的效率。」

賓夕法尼亞大學的博士後研究員努里·歐（Nuri Oh）是相關論文的另一位合作者，他和辛教授都相信，納米棒的出現將顛覆整個顯示市場。

努里·歐表示，他們的「概念機」展示納米棒LED可具備多功能應用，從光檢測到數據傳輸，從光保真通信到可主動收集能量的自供電顯示器等等。

根據辛教授的介紹，這些納米棒用作顯示器的像素點還具有一個很大的優點，那就是極高響應速度，這要比現在顯示器刷新的頻率快三個數量級。因此，這樣的顯示器將不存在任何「卡頓感」。

而要將這項性能優異的技術真正投入日常應用，首先要攻克的難題就是如何完善製造工藝。早在2014年，該團隊就實現的這一突破，並將成果發表在了《Nature Communications》上。

辛教授表示，他們設計的能帶結構不僅可以使發光效率成倍提高，並且還可以檢測光。

雖然傳統的薄膜無機半導體LED單元也可以用作發光或光檢測器件，甚至在辛教授團隊之外，也有其他科學家製作出了類似相同功能的單體LED納米棒。但是辛教授他們的納米棒LED有一個無可比擬的優勢，他們的納米棒是一種膠體，可以通過特定的溶液操作來製造大規模的納米LED陣列。

辛教授表示：「傳統LED晶元大小在毫米級別。而為了使無機薄膜材料製成的LED具有檢測光的能力，我們將需要集成很大的LED陣列。然而，對於依託晶圓基底的傳統LED來說，其陣列的大小受晶圓大小的限制而無法無限增長。但是納米棒LED就沒有這個限制，他們可以被旋塗到任何基材上（硅晶圓的直徑一般不超過30厘米，而工業離心旋鍍的規模則可以達到平方米級別）。因為這一特性，具備發射和檢測光的納米棒才有可能被應用於柔性顯示器和大面積屏幕等領域。」

儘管前景美好，但納米棒技術還存在重大的工程難題。到目前為止，研究人員只成功實現了紅色納米棒LED。對於顯示器來說，綠色和藍色LED仍有待於開發。

其次，如何排列三種不同顏色的LED也是一大挑戰。此外，雖然我們可以用旋塗技術方便的將納米棒應用到不同場合，但也正因為其可溶性，常規的蝕刻或圖案化技術將會因為需要使用溶劑而難以應用到納米棒工藝中來。

此外，即便做出了能夠分別顯示紅綠藍的納米棒，如何將這三種納米棒有序排列在一起，形成一個個完整的顯色點可能也需要辛教授和他的團隊好好研究一番。