浙江大學再發Nature！！！

一、【科學背景】

電子設備的小型化一直是信息科學和技術中永恒的追求，推動了計算能力和人機交互的革命。微LEDs通過將傳統基于 III–V 族半導體的LEDs縮小到微米尺度而發展而來，展現出高亮度、高分辨率、低能耗和快速響應等增強的發光性能。這些優勢推動了近眼顯示技術（包括虛擬現實（VR）和增強現實（AR））的近期發展。因此，傳統III-V半導體微型LED（micro-LEDs）因其高亮度、高分辨率和低能耗被視為顯示技術的“終極方案”，但其生產成本高昂，且當像素尺寸縮小至10微米以下時效率顯著下降，阻礙了商業化應用。鈣鈦礦LED（PeLEDs）作為一種新興技術，具有低成本和高性能的潛力，但微型化過程中同樣面臨效率損失的挑戰。現有研究顯示，鈣鈦礦LED在微米尺度下的效率（如EQE）隨尺寸縮小而下降，限制了其進一步小型化和高密度集成的可能性。因此，如何在保持高效率的同時實現鈣鈦礦LED的納米級微型化，成為關鍵科學問題。

二、【科學創新】

今日，來自浙江大學的狄大衛教授和趙保丹研究員提出了基于鈣鈦礦半導體的微型和納米級LED（micro-PeLEDs/nano-PeLEDs）的尺寸縮減技術，其像素特征長度從數百微米縮小至約90納米。通過局部接觸制造方案，有效抑制了像素邊界的非輻射損耗。近紅外（NIR）和綠色micro-PeLEDs在650至3.5微米的寬尺寸范圍內，平均外部量子效率（EQE）維持在約20%，且效率幾乎不隨尺寸縮小而降低。當特征長度降至約90納米時，nano-PeLEDs成為迄今報道的最小LED，實現了127,000像素/英寸（PPI）的創紀錄像素密度。該研究還開發了基于商用薄膜晶體管（TFT）陣列的原型主動矩陣micro-PeLED顯示器。與III-V半導體LED相比，micro/nano-PeLEDs在特征長度小于10微米時展現出顯著優勢，克服了傳統LED的效率損失問題。這一成果凸顯了鈣鈦礦LED作為下一代高密度、可擴展光源技術的巨大潛力。相關成果以“Downscaling micro- and nano-perovskite LEDs”為題發表在國際著名頂級期刊Nature上。

圖1 微米/納米鈣鈦礦LED的制備流程；? 2025 Nature

a.微米/納米鈣鈦礦LED的關鍵制備步驟；

b. 微米/納米鈣鈦礦LED的截面示意圖；
c,d. 使用（c）和未使用（d）局部接觸方法的電極原子力顯微鏡（AFM）圖像；
e,f. 對應c和d中標記線的高度剖面；
g. RIE和光刻膠去除后的方形（1）和圓形（2）像素區域SEM圖像。比例尺：20 μm（1），10 μm（2）；
h. 直徑為1,000 nm（890 nm特征長度）、500 nm（440 nm）和100 nm（90 nm）的圓形像素局部接觸區域SEM圖像；

圖2 近紅外（NIR）微米/納米鈣鈦礦LED的器件特性：? 2025 Nature

a. 工作狀態的NIR微米鈣鈦礦LED（像素尺寸：200、100、50、30、20和10 μm）的光學圖像；b. NIR微米鈣鈦礦LED的電致發光（EL）光譜。插圖為特征長度10 μm的微米LED陣列的工作圖像（驅動電壓：2.5 V）；c. 電流密度-電壓特性曲線；d. 輻射亮度-電壓曲線；e. 外部量子效率（EQE）-輻射亮度數據；f. EQE-電流密度曲線；g. 納米鈣鈦礦LED像素區域的SEM圖像（對應圖1a步驟8后的樣品）；h. 納米鈣鈦礦LED的輻射亮度-電壓數據；i. 納米鈣鈦礦LED的EQE-電流密度曲線；j. NIR微米/納米鈣鈦礦LED的EQE隨特征像素長度的變化。紅色曲線為EQE分布的高斯擬合。背景色（青色、淺紫色、粉色）分別對應迷你、微米和納米級LED的尺寸范圍。

圖3 綠色和紅色微米/納米鈣鈦礦LED的器件特性；? 2025 Nature

a,b. 工作狀態的綠色（a）和紅色（b）微米鈣鈦礦LED（特征長度：200 μm至約10 μm）的光學顯微圖像。驅動電壓分別為3.0 V和3.2 V；c. 綠色微米鈣鈦礦LED的一維EL光譜分布；d. 綠色微米鈣鈦礦LED的EQE-亮度數據；e. 綠色微米/納米鈣鈦礦LED的EQE隨特征長度的變化。

圖4 器件穩定性測試與原型主動矩陣微米鈣鈦礦LED顯示屏；? 2025 Nature

a,b. 綠色微米鈣鈦礦LED在恒定電流密度10 mA cm?2（a）和50 mA cm?2（b）下的工作穩定性測試；c. 綠色微米鈣鈦礦LED的T50壽命隨特征長度的變化；d–f. 基于商用TFT陣列的主動矩陣微米鈣鈦礦LED顯示屏原型（像素尺寸：70 μm × 95 μm）顯示的圖像

圖5 不同類別微型化LED的EQE與光譜純度對比；? 2025 Nature

1. 不同類別LED的EQE隨特征長度（或PPI）的變化曲線。微米/納米鈣鈦礦LED在特征長度<10 μm時表現出顯著優勢；b. 本文鈣鈦礦LED的電致發光半峰寬（FWHM）與其他類別LED的對比（特征長度<100 μm）。

三、【科學啟示】

本文的主要科學啟示如下：

（1）技術突破：通過局部接觸方案解決了微型化過程中的效率瓶頸，為鈣鈦礦LED的納米級集成提供了新思路。127,000 PPI的超高像素密度為AR/VR近眼顯示、超高清柔性屏幕等應用奠定了基礎，可能推動顯示技術革新。

（2）材料優勢：鈣鈦礦材料在微型化中表現出的尺寸不敏感性（如寬范圍內維持20% EQE），驗證了其作為高效發光材料的獨特優勢。

（3）跨領域啟發：該制造方法可拓展至其他光電器件（如太陽能電池、光電探測器），促進納米光電子學的發展。

（4）可持續性：鉛基與無鉛（CsSnI?）鈣鈦礦器件均展現出相似的微型化性能，為環境友好型器件的設計提供了參考。

論文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08685-w