研究背景与简介

色转换器通过光子的吸收和发射过程进行颜色转换，在过去十年中已经得到广泛研究并达到了一个发展平台期。微型光电器件的出现推动了重要应用领域的发展，如全彩Micro-LED显示，加强了像素化色转换器的需求。迄今为止，色转换器的发展主要集中在开发具有更高内量子效率的新材料方面，并在胶体量子点（Colloidal Quantum Dot，CQD）的合成和应用方面取得了重大突破，获得了2023年诺贝尔化学奖。目前，量子点Micro-LED的图案化工艺已经达到成熟阶段，但器件效率仍然较低。学界提出了多种策略从激发或外耦合方面改善色转换器的光学性能。例如，通过引入散射体（如随机孔结构、纳米棒或金属氧化物纳米颗粒）提高激发效率（即吸收激发光子并将其转换为发射光子），以及添加布拉格反射器、光子晶体、局域表面等离子体共振和光子管理结构来提高外耦合效率（即从色转换器中提取发射光子）。然而，传统方法在解决色转换器内部光传播的固有随机性方面具有局限性，无法同时提高激发和外耦合效率，这一挑战在具有超高粒子浓度的薄膜像素化色转换器中更难解决。色转换器的外量子效率（EQE）可表示为EQE = ηex × ηoc（其中ηex和ηoc分别为激发效率和外耦合效率），只有通过定向激发和外耦合结构实现激发和外耦合效率的提升，才能进一步提升色转换器的整体效率。

针对以上问题，华南理工大学李宗涛/李家声团队和香港理工大学刘爱群院士、同济大学施宇智教授合作提出了仿生光子波导像素化色转换器，解决激发与外耦合之间的矛盾，为高效能微型显示器开辟了新途径。自然界中，复眼昆虫（如蜜蜂和蜻蜓）表现出非凡的视觉成像能力，包括高视觉分辨率和灵敏度。它们独特的视觉系统表现出强大的光子管理能力：通过角膜和晶锥聚焦光线，并通过色素细胞通道分裂光线，从而提高光接收和转换效率。受昆虫视觉系统的启发，设计了一种仿生光子波导像素化色转换器，其透镜结构通过聚集光子波导收集激发光，大幅提升激发效率。同时，定向通道结构提供了分离光子波导，增强光致发光光的外耦合。该结构实现定向激发和内部光线外耦合，同时提高激发效率和出光效率，提升整体色转换效率。基于仿生光子波导的像素化色彩转换器与微型发光器件集成的白光Micro-LED器件，获得了1600 lm/W∙mm单位流明效率的同行领先结果和高达 48.6% 的外耦合效率。

相关成果以“Bioinspired ultrathin photonic color convertors for highly efficient micro-light-emitting diodes”为题发表于期刊FlexMat上。

图文导图

1.仿生光子波导像素化色转换器的设计

   图1. 仿生光子波导像素化色转换器设计。A) 基于散射体的传统色转换器（Con-CC）内部光学机制。由于光传播的固有随机性，进入Con-CC的激发光（蓝色）难以对胶体量子点（CQD）产生有效激发，从而限制了激发效率。另一方面，光致发光难以从色转换器中提取，降低了外耦合效率。定向激发与外耦合示意图，用于解决光线随机传播问题。B) 仿生光子波导像素化色转换器（BPW-PCC）设计。昆虫视觉系统：聚集光线- 角膜、晶锥体；光信号转换 - 视杆细胞；光线分离作用 - 色素细胞。 BPW-PCC：聚集光线-微透镜阵列；色装换-CQD；分离光线-定向通道。

2.仿生光子波导像素化色转换器的制造与形貌

图2. 仿生光子波导像素化色转换器的制备和形貌表征。A) BPW-PCCs的通用模板组装制备方法示意图及相应结构示意图。B) BPW-PCCs底部和中部的光学照片和截面SEM图像。标尺分别为5 mm、300 nm和11 µm。

3.仿生光子波导像素化色彩换器的光学机理

   图3. 仿生光子波导像素化色转换器的光学分析。A) BPW-PCC单元结构示意图。B-C) 聚焦光子波导的激发分析。(B) 薄膜和透镜结构的能量密度分布。(C) 不同量子点线直径下薄膜结构与平面、透镜结构的激发增强因子（EEF）。D-F) 分离光子波导的外耦合光学分析。(D) 不同量子点线直径下BPW-PCCs的光提取效率（LEE）和能量密度分布。(E) 不同定向通道折射率下BPW-PCCs的光提取效率，以及（F）相应的能量密度分布。

4.仿生光子波导的像素化色彩转换器的光学性能及微显示应用

   图4. 仿生光子波导像素化色转换器的光学性能及Micro-LED显示应用。A) 传统色转换器（上）与BPW-PCC（下）的厚度对比。B) BPW-PCCs的光致发光与吸收性能。传统色转换器（Con-CC）、纳米粒子色转换器（NP-CC）和BPW-PCC的吸收光谱（左）和光致发光光谱（右）对比。C) 采用BPW-PCCs的高效Micro-LED显示应用示意图。图案化BPW-PCCs和Micro-LED器件图像。D) 传统LED （Con-LED）与BPW-LED的电致发光（EL）光谱和CIE色坐标对比。E) 单位厚度发光效能（unit-LE）和外量子效率（EQE）对比。