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无触碰操作、数据传输、光照充电……“科幻”级手机屏从此起步？
短短十数年时间，手机显示屏已经多次更新换代，从黑白到彩色，从纯显示到触控操作。配合着更强大的处理器、更快的通信网络以及更多的应用服务，智能手机几乎变成了生活的一部分。不过，如果说手机显示屏无需触碰就能操作，两台手机无需网络、WIFI、数据线、蓝牙……通过屏幕就可传输数据，没电时把屏幕对着光就能充电，你心里肯定以为是在讲科幻电影的情节。呃……其实你是对的，到目前为止还没有如此强大的显示屏，但是，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的Nuri Oh和Moonsub Shim等科学家近期在Science 上报道的双功能发光二极管（LEDs），让这些科幻情节有机会在不远的未来成为现实。
图片来源：Science
LEDs作为照明元件在节能灯泡和显示屏中应用相当广泛。Shim和Oh等人巧妙的把LEDs和光响应联系起来，他们利用量子点技术，设计了“双异质结”胶体半导体纳米棒，在一个LED器件中实现电致发光和基于光伏响应产生光电流两个功能，让LEDs既能发光又能检测和吸收光。
Nuri Oh博士（左）和Moonsub Shim教授。图片来源：UIUC
为LEDs增加一个功能，看似不怎么起眼，但这种双功能LEDs却是一系列高端功能的基础，比如显示屏的无触碰操作、屏间数据传输、以及光照充电等。
视频来源：Science
这里先来看一看双异质结纳米棒（Double heterojunction nanorods，DHNRs）的结构。纳米棒由CdS/CdSe组成，外层包裹一层ZnSe，形成核/壳结构，有助于提高发光效率。制备采用的是该课题组之前报道的“诱导刻蚀”法（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 10444-10451）。
双异质结纳米棒光响应LEDs。图片来源：Science
“诱导刻蚀”制备纳米棒。图片来源：JACS
由这种纳米棒制成的LEDs不但具有高效的电致发光性能，同时还拥有光伏响应特征。在光照条件下，LEDs接受光信号，并做出响应。研究者将其做成10×10的阵列，展示了对蓝色激光笔的光响应（下图）。
双功能LED阵列的光响应。图片来源：Science
双功能是具备了，再来看看LEDs的响应时间。测试结果表明，LEDs从电致发光到熄灭只有约0.8微秒，比当前商业用的LCD液晶显示器的响应速度（2毫秒左右）快了三个数量级。同时，光探测器模式下的LEDs，响应时间也控制在了微秒范围之内，光电流产生和消失的时间分别为约6.5微秒和约6.6微秒。双功能LEDs的快速响应意义重大，通过施以亚毫秒时间尺度的交替正向和反向偏压，器件就可以在两个功能模式间快速转换，而这种快速转换对人眼来说根本无法察觉（这种频率下，人眼看到的就是“连续”发光），也就“同时”实现了检测信号和发光两个功能。
双功能DHNR-LEDs的瞬间响应测试。图片来源：Science
研究者将这种双功能LEDs应用于一个简单的控制电路，可以将检测到的光信号转换成所需的响应，比如根据环境亮度变化自动调节LED亮度（下图A），以及通过感应靠近的手指所造成的周围环境光线的遮挡而实现非接触操控（下图B）。
光响应控制。图片来源：Science
实事求是的说，这一工作还只是处于“概念验证”阶段，距离实际大规模应用还差很远。不过，从砖头一样只有少数人才能拥有的“大哥大”，到如今满大街的高清屏智能手机，之间的距离也不过短短二三十年。手机屏的未来，谁又说得清呢？
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Double-heterojunction nanorod light-responsive LEDs for display applications
Science, 2017, 355, 616-619, DOI: 10.1126/science.aal2038
（本文由小希供稿）