▍導讀

透明顯示是未來顯示的發展方向之一，在智能窗、可穿戴電子產品、虛擬現實技術、觸摸屏等領域有著巨大的應用潛力。隨著有機、量子點、鈣鈦礦等新型發光材料的出現，發光二極管的亮度、效率和穩定性飛速發展，然而在此基礎上實現兩側對稱發光的高性能透明發光二極管仍是一項具有挑戰性的工作。

近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所郭曉陽研究團隊在《發光學報》發表了題為“透明發光二極管的研究進展”的綜述文章。重點從有機發光二極管（OLED）、量子點發光二極管（QLED）以及鈣鈦礦發光二極管（PeLED）三類發光器件出發，綜述了利用不同透明電極實現透明化的具體方案，概括了各類透明電極的特點、優勢及不足，最后對透明顯示的發展進行了展望。

▍引言

高效的發光材料是實現透明發光二極管（LED）的前提。隨著科技的進步，LED的發展日新月異，一些新型半導體發光材料，例如有機、量子點、金屬鹵化物鈣鈦礦等，為LED顯示技術提供了新的發展方向。近些年，基于這些新興材料的電致發光器件性能已經取得了突破性的進展，這也為發展基于新一代發光材料的透明顯示器件提供了可能。

傳統的LED通常采用不透明的頂部電極（Al、Ag、Au等），這類高電導率高反射率的金屬薄膜能夠確保發出的光反射到二極管內部，通過透明的底部透明電極實現單側的發光。與傳統LED不同的是，透明LED器件的頂部電極要采用透明電極，發光層發出的光由通過頂部和底部電極同時發射出來（圖1），這將大大降低器件從底電極出光的效率。因此如何利用雙側透明電極來更有效的提高光的取出效率就成為提升透明LED性能的一個關鍵因素，這也是實現高效的透明LED所要解決的關鍵問題。

圖1：（a）傳統底發射發光二極管結構；（b）雙側發射的透明發光二極管結構。

▍透明有機發光二極管

有機發光二極管具有功耗低、重量輕、色域寬、響應時間快、對比度高等突出優點，在全彩平板顯示和固態照明中應用廣泛。透明OLED易于與氧化物或有機薄膜晶體管驅動電路集成，可用于具有高孔徑比的有源矩陣透明顯示器，可應用于智能手機、筆記本電腦、可穿戴智能設備等電子產品中。OLED通常是由多層有機半導體材料組成，其功能層的設計簡單且具有超薄厚度，發光層可以選擇僅吸收紫外線的有機半導體材料，從而表現出高透明度，這使其在透明顯示領域的應用具有優勢。

目前制備透明OLED使用的透明電極材料主要包括，透明導電氧化物、超薄金屬膜、銀納米線/網格、導電聚合物和石墨烯等，目前報道的沒有光輸出耦合結構的透明OLED最高外量子效率達30.2%（圖2）。透明OLED是最早發展起來的基于新型發光材料體系的透明發光器件，因此，也被研究的最為廣泛，取得的研究成果也為后來基于量子點和鈣鈦礦材料的透明LED研究提供了更多的參考和可行的方案。

圖2：透明OLED實物照片。

▍透明量子點發光二極管

膠體量子點發光材料是繼有機發光材料之后出現的新型高效發光材料，它由于具有窄發射光譜、寬色域、高量子產率以及出色的加工性能，成為過去幾十年里最有吸引力的光電子材料之一，在智能家居和城市建設等應用中備受關注，可廣泛應用于功能照明、背光照明、微型LED等方面。

利用透明導電氧化物、超薄金屬膜、石墨烯以及金屬納米線等材料作為頂部透明電極制備的TQLED擁有極高的亮度以及透明度，使它在全彩透明顯示的研究領域中占據一席之地。目前報道的采用高透明三層電極MoO?/Ag:Cu/MoO?制備的透明QLED器件在550 nm處透過率達到77.2%，器件亮度和效率是目前我們所知的透明QLED的最高值（亮度為225500 cd/m2， 外量子效率為16.70%，圖3）。由此也證明了利用超薄金屬作為透明頂電極在透明QLED領域的應用潛力。

圖3：透明QLED實物照片。

▍透明鈣鈦礦發光二極管

作為一種新型發光材料，金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有高熒光量子效率、高色純度、高載流子遷移率、寬吸收光譜以及帶隙可調等優勢，因為具有高發光效率和低缺陷密度，鈣鈦礦材料在非常薄的發光層就能實現高效發光，所以非常適合發展透明顯示。

然而相比于透明OLED和透明QLED，對于透明PeLED的報道還比較少，目前報道的使用的透明電極材料主要包括透明導電氧化物、超薄金屬膜以及金屬納米線，然而其性能與不透明器件還有很大的差距。一方面是由于鈣鈦礦電致發光器件的研究起步較晚，鈣鈦礦發光器件的電致發光性能還有待進一步提高，尤其是其藍光性能；另一方面，鈣鈦礦易于結晶的特性，會導致大晶粒的形成，不利于透明頂電極的沉積，同時也會增加界面處的光散射，因此，對于鈣鈦礦結晶形貌的調控對于實現高效的透明器件有著至關重要的影響。未來，通過研究人員對于鈣鈦礦結晶形貌的控制及發光器件性能的進一步提升，同時結合其它透明器件制備中的經驗，相信可以使透明PeLED的性能得到更加快速的提升。

▍展望

受到透明電極和發光材料的共同影響，目前透明電致發光器件在亮度和效率方面都落后于不透明的傳統電致發光器件，特別是鈣鈦礦透明器件還存在著較大差距。如何平衡透明器件的透過率與光電性能仍是亟待解決的問題。隨著更多新材料、新結構、新原理和新機制的涌現和研發精力的投入，相信這些問題會被新的透明化方案逐步攻克，屆時透明顯示將實現市場化的目標，在智能窗、可穿戴電子產品、虛擬現實技術等領域大展拳腳。

▍論文信息

李一爽, 包志強, 鄒德月, 郭曉陽. 透明發光二極管研究進展[J]. 發光學報, 2023,44(9):1527-1545. DOI: 10.37188/CJL.20230111.

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230111/

▍通訊作者簡介

郭曉陽，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所副研究員，博士生導師，2010年于中國科學院長春應用化學研究所獲得博士學位，主要從事新型光電子材料與器件的研究。發表SCI和EI論文60余篇，授權發明專利10項。獲得吉林省自然科學二等獎1項（第一完成人），入選吉林省優青、中國科學院特聘研究骨干、長春光機所首批旭光人才。

閱讀原文