PeLED显示技术能够读取指纹和收集健康数据 既是LED 触摸屏也是光伏充电器

NATURE

现代智能手机触摸屏采用无边界玻璃设计，并使用先进的粘合技术，使屏幕几乎与手机表面齐平。然而，在屏幕下面，还有一层又一层的玻璃、偏光片、彩色滤光片、电容式触摸传感器等等。这对希望集成传感器或制造柔性显示屏的智能手机制造商来说是个障碍。

然而，新的研究强调了另一种选择：光敏像素。光敏像素的功能远不止检测触摸。它们可以对放置在显示屏上的物体进行成像，检测指纹，甚至为设备充电。

这项新研究的共同作者、南京大学物理学院教授Chunxiong Bao说：“我们知道，LG Display 和其他显示器公司都对如何整合触摸屏或成像功能很感兴趣。他们尝试过OLED和QD-LED等材料，但光致发光性并不好。而我们的包晶LED则很好。”

• 它还是指纹识别器、健康传感器和测光表

钙钛矿是一类形成晶体结构的材料，与1839年在俄罗斯乌拉尔山脉发现的钙钛氧化物矿物同名钙钛矿类似。钙钛矿这类材料在光伏中很受欢迎，因为研究人员发现它们可以用于高效的太阳能电池和更亮、更好的量子点（https://spectrum.ieee.org/infrared-optoelectronics-you-can-apply-with-a-brush，https://spectrum.ieee.org/two-great-photovoltaic-materials-brought-together-make-better-leds）。

在这种情况下，Bao和他的合著者希望钙钛矿器件既能产生光又能对光做出反应。他们开发的Pervoskite-LED（PeLED）材料可以高亮度显示图像：研究小组展示的红色、绿色和蓝色PeLED，据报道亮度高达每平方米4700坎德拉（大多数智能手机显示器的峰值亮度为数百坎德拉）。不过，PeLED还能有效地探测光线，研究人员利用这一特性制造出了触摸屏。

“如果你希望[一种材料]具有良好的光响应，你需要在这些材料中产生[电子]载流子，”Bao 说，“在钙钛矿中，这很容易做到。正是载流子传输层使电子运动，进而使检测触摸输入成为可能。由于PeLED具有光敏性，它们既能检测触摸显示屏的物体，又能对其进行成像。”

NATURE

因此，这种显示屏集多种传感器功能于一身。它能对放置在显示屏上的高对比度小物体进行成像，这反过来又能使它成为一个可行的指纹读取器（不过，原型显示屏太小，无法读取真实指纹，因此研究人员用一个小的指纹图像对它进行了测试）。显示屏的光敏性还可用作光传感器来传输数据，或用作PPG传感器来提供用户健康数据。

这些功能可以帮助智能手机将目前需要单独、个别传感器的功能集成到显示屏中。这种设备集成反过来又会降低设备的复杂性和厚度。虽然该团队开发的原型显示屏不是柔性的，但Bao说，这项技术可以被证明适用于柔性显示屏，比如折叠或可弯曲手机的柔性显示屏。

• 它也是太阳能充电器

PeLED的光敏性具有令人惊讶的潜力，可以取代许多智能手机的传感器。它的显示屏还能充当太阳能充电器。

从某种意义上说，这并不奇怪。正如前面提到的，钙钛矿有希望提高未来太阳能电池的效率（https://spectrum.ieee.org/perovskite-2667580324）。但这是首次展示可产生电荷的功能性透镜显示屏。

伦敦帝国学院物理化学专业的读者Artem Bakulin说：“好的太阳能电池应该是好的LED，这是一个基本概念，人们对此都很清楚。但是，由于一些工程上的挑战，要勇敢地将太阳能电池和LED真正配对使用是很困难的。[...]在这篇论文中，他们试图解决这些问题，并将这两个领域结合在一起。”

NATURE

新型PeLED显示屏能在大约25分钟内将电容器的电压从1.2伏提升到1.7伏。研究人员利用显示屏原型为超级电容器充电（https://spectrum.ieee.org/micro-supercapacitor），然后用超级电容器为显示屏供电，从而证明了这种能力。有趣的是，显示器在室内白色LED灯光下的电源转换效率是模拟阳光下的两倍多，这对于大部分时间都在室内的消费设备来说可能是有益的。

研究人员指出，他们的显示技术只是一个概念验证，还需要做更多的工作才能扩大到对消费电子产品有用的尺寸。寿命也是一个问题，因为目前的钙钛矿材料降解很快：该论文报告的 “工作寿命 ”仅为18.5小时。

“这种材料很容易制造，但也很容易降解，”Bao说，“许多研究人员都在努力提高设备的使用寿命。我们的器件并不稳定，但一些研究小组报告说，钙钛矿的寿命要长得多。”普林斯顿大学的一组研究人员已经生产出了寿命长达30年的钙钛矿半导体，为解决寿命问题提供了一条途径。

PeLED研究人员在近日发表于《自然-电子学》的一篇论文中介绍了他们的设备：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01151-x - Fig4。

供稿：胡乐