研究背景
電子和光子技術的諸多突破都得益于微縮化，即將基本器件尺寸縮小的過程。基于 III–V 族半導體的發光二極管（LED）的尺寸縮小催生了微型 LED（micro-LED），這是一種用于顯示技術的“終極技術”。然而，micro-LED 的制造成本高昂，并且當像素尺寸縮小到約 10 μm 或更小時，其效率會嚴重下降，從而限制了其商業化應用的潛力。為了解決這一問題，浙江大學狄大衛教授、趙保丹教授等人在“Nature”期刊上發表了題為“Downscaling micro- and nano-perovskite LEDs”的最新論文。在本研究中，展示了一種新興 LED 技術——基于鈣鈦礦半導體的 LED（PeLED）的微縮化，使其尺寸突破了傳統限制。通過局部接觸制備方案，研究者成功制備了微型和納米級鈣鈦礦 LED（micro-PeLED/nano-PeLED），其特征像素尺寸從數百微米縮小至約 90 nm，同時有效避免了像素邊界的非輻射損耗。對于本文制備的近紅外（NIR）和綠色 micro-PeLED，其外量子效率（EQE）在 650 至 3.5 μm 的寬像素尺寸范圍內均保持在約 20%，表明器件在尺寸縮小過程中性能衰減極小。而當特征像素尺寸縮小至約 90 nm 時，研究者成功實現了當前已報道的最小 LED，像素密度高達 127,000 PPI，創下了所有 LED 陣列的最高記錄。研究者的研究展示了 micro- 和 nano-PeLED 作為新一代緊湊型可擴展光源技術的巨大潛力。 值得一提，2024年9月11日，狄大衛、趙保丹等人在Nature上發表題為“Controllable p- and n-type behaviours in emissive perovskite semiconductors”研究論文，報告了通過加入具有強吸電子能力的膦酸分子摻雜劑，可以調整寬帶隙鈣鈦礦半導體中的p型和n型特性。實現了從n型到p型導電性的轉變，同時保持了 70-85% 的高光致發光量子產率。發射鈣鈦礦半導體中的可控摻雜使得在具有簡單結構的鈣鈦礦發光二極管中實現了超高亮度（超過1.1×106?cd?m-2）和出色的外部量子效率（28.4%）。時隔半年，這個團隊再次登上Nature。
研究亮點
(1) 本研究首次實現了微型和納米級鈣鈦礦發光二極管（micro-PeLEDs/nano-PeLEDs）的超小型化，像素特征尺寸縮小至約90 nm，打破了傳統LED尺寸限制。實驗通過局部接觸制造工藝，成功避免了像素邊界的非輻射損耗，確保了高效的發光性能。(2) 研究通過光刻圖案化技術制備了近紅外（NIR）和綠色PeLED器件，在像素特征尺寸從650 μm縮小至3.5 μm的范圍內，外量子效率（EQE）始終保持在約20%，展現出極小的尺寸縮減效應。進一步縮小至納米級時，NIR和綠色PeLED的EQE分別在180 nm和440 nm特征尺寸處下降至50%。(3) 研究獲得了目前最小的LED器件，像素密度高達127,000 PPI，刷新了所有LED陣列的最高記錄。此外，團隊基于商業薄膜晶體管（TFT）陣列，成功開發了原型主動矩陣micro-PeLED顯示器，驗證了其在高分辨率顯示領域的應用潛力。
圖文解讀
圖1：微型PeLEDs和納米PeLEDs的制造工藝。 圖2：近紅外（NIR）微型PeLEDs和納米PeLEDs的器件特性。圖3：綠色和紅色微型/納米PeLEDs的器件特性。圖4：器件穩定性測試及原型主動矩陣微型PeLED顯示器。 圖5：不同類別微型化LED的外量子效率（EQE）和光譜純度。
結論展望
總而言之，本文探索了微型和納米鈣鈦礦LED（micro-PeLEDs/nano-PeLEDs）的尺寸縮小過程，其特征像素尺寸范圍從數百微米縮小至約90 nm。通過光刻圖案化工藝，這些器件采用局部接觸結構來界定有效像素，并防止像素邊界處的非輻射損耗。在本文制備的近紅外（NIR）和綠色器件中，平均外量子效率（EQE）在廣泛的特征尺寸范圍內（650 至 3.5 μm）保持在約 20%，在縮小尺寸的過程中表現出極小的效率損失。這些器件的 L50 值分別約為 180 nm（NIR）和 440 nm（綠色）。研究者成功制備了特征尺寸小至約 90 nm 的納米 PeLEDs，代表了當前報道的最小 LED 之一，并實現了高達 127,000 PPI 的像素密度，刷新了所有類型 LED 陣列的紀錄。此外，研究者開發了一種基于商用薄膜晶體管（TFT）陣列的原型主動矩陣微型 PeLED 顯示器。整體而言，微型和納米 PeLEDs 在特征像素尺寸小于 10 μm 時展現出顯著優勢，而此時主流的 III–V 族 LED 已經出現明顯的尺寸依賴性效率損失。研究者的研究凸顯了微型和納米 PeLEDs 作為新一代光源的潛力，并展現出前所未有的可擴展性。 Lian, Y., Wang, Y., Yuan, Y. et al. Downscaling micro- and nano-perovskite LEDs. Nature (2025).https://doi.org/10.1038/s41586-025-08685-w
