近日，北京大学物理学院现代光学研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学团队”高宇南课题组与合作者，通过改变衬底的表面特性和溶液内纳米晶的相互作用，成功实现具有高度空间和光辐射偶极矩取向的量子阱自组装层，并由此制备出了高性能的胶体量子阱发光二极管。相关研究成果以“基于自组装胶体量子阱的高效发光二极管”（Highly Efficient Light-emitting Diodes based on Self-assembled Colloidal Quantum Wells）为题发表于《先进材料》（Advanced Materials）上。
基于纳米晶的发光二极管具有低成本、高发射效率、窄光谱、长寿命等优点，因而在下一代高清显示技术与照明应用中均具有巨大潜力。此前，纳米晶-发光二极管领域已取得了重大进展，展现了接近30%的高外量子效率和超过10,000小时的寿命。
然而，器件中外量子效率的进一步提升受到了外耦合因子的限制，这是决定器件最大光提取效率的关键参数。各项同性纳米晶的垂直跃迁偶极矩动量因与金属电极产生较强的耦合并以等离激元模式损失了大部分能量。因此，提高水平跃迁偶极矩动量分布一直被认为是提升外量子效率的重要方法。
图1. 正式纳米晶发光二极管器件结构的装置示意图
为实现提高水平跃迁偶极矩动量分布以提高外耦合因子，研究团队对具有片状形貌的胶体量子阱纳米晶体系开展了从合成方法（Adv. Opt. Mater. 2022, 10, 2200469; Small, 2022, 18, 2204120），自组装控制(J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 11, 4524)，激子物理(Nano Res. 2023，16, 10420)，到纳米晶LED (J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 39, 9051)器件物理，以及微纳激光(ACS Photonics 2023, 10, 5, 1397)的系统性研究工作。
在前期工作的积累之上，在此研究工作中研究团队考虑了不同衬底平整度与胶体量子阱之间的相互作用，通过易与电致发光器件相结合的旋涂法成功制备了方向性一致的发光自组装层。通过对后焦面成像得到的动量空间分布结果进行拟合，可以得到发射层的面内跃迁偶极矩动量分布高达95%（图2），最高实现了37%的外耦合效率。
图2. a)量子阱在不同衬底上的排列示意图。b)后焦面图像。c)不同薄膜的偶极矩取向分布对比。
研究团队并在胶体量子阱发光二极管中引入新型聚合物传输层PF8Cz。PF8Cz聚合物含有刚性、平面的咔唑单元，并与芴单元共聚。与传统的TFB传输层相比，这一特性导致了较浅的最低未被占据分子轨道能级并有效抑制了无序性，使得电子从发光层转移到空穴传输层具有更大的势垒。最终，外量子效率达26.9%的高稳定性胶体量子阱发光二极管被实现，超过了此前常规胶体量子阱发光器件的性能，展示了其在光电子领域的潜在应用价值。
图3. a) 量子阱器件的HADDF-STEM横截面图像。b)放大图。c)基于TFB或PF8Cz器件中的电子传输示意图。d)电致发光光谱。e)外量子效率-电压曲线。
发表成果中，北京大学物理学院现代光学研究所博士研究生朱云柯、浙江大学光电科学与工程学院及剑桥大学卡文迪许实验室邓云洲博士为共同第一作者，高宇南研究员及浙江大学化学系金一政教授为共同通讯作者，合作者包括北京大学物理学院、浙江大学化学系、北京大学电子显微镜实验室多位研究人员。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、介观物理国家重点实验室，教育部纳光电科学研究中心，北京大学长三角光电研究院等的支持。（来源：北京大学现代光学研究所）
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