中科大、河南大學(xué)與多倫多大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊在《Nature Photonics》發(fā)表研究，利用混合相 CdZnSeS 量子點(diǎn)中的偶極-偶極相互作用使量子點(diǎn)有效排列，增強(qiáng)了發(fā)光二極管中的光子外耦合。通過該技術(shù)突破平面QD-LED外量子效率30%的理論極限，實(shí)現(xiàn)35.6%的峰值外量子效率。

DOI:10.1038/s41566-023-01344-4

一、行業(yè)核心痛點(diǎn)

長期以來，QD-LED 的外量子效率（EQE）一直受限于光子出射耦合效率不足，通常只有大約 30% 的光子能逸出器件。傳統(tǒng)的各向異性納米結(jié)構(gòu)，雖然可以靠范德華力讓材料定向排列，但采用這種各向異性QD-LED的輻射復(fù)合效率較低，光子出射耦合的增益被內(nèi)量子效率的損失所抵消，最終器件整體性能反而得不到真正提升。

二、核心技術(shù)突破：WZ/ZB 混合相設(shè)計

本研究創(chuàng)新性提出纖鋅礦（WZ）/ 閃鋅礦（ZB）混合相的設(shè)計思路，利用混合相量子點(diǎn)中的偶極-偶極相互作用使量子點(diǎn)有效排列，增強(qiáng)了發(fā)光二極管中的光子外耦合效率。

通過在纖鋅礦相中引入更高離子性的組分來增大偶極矩，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)偶極 - 偶極相互作用和量子點(diǎn)的均勻取向排列。同時，閃鋅礦相有助于解除輕空穴和重空穴的簡并，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)光。兩種結(jié)構(gòu)特性協(xié)同作用，在不損失內(nèi)量子效率的同時提升了光子外耦合效率。

該策略基于常規(guī)溶液法實(shí)現(xiàn)，量子點(diǎn)取向由材料本征結(jié)構(gòu)決定，對旋涂等制備條件不敏感。器件在低偏壓下EQE即超過30%，亮度覆蓋1,000-120,000 cd·m?2，峰值達(dá)35.6%、平均值34.2%；經(jīng)中國計量院認(rèn)證，其峰值外量子效率為34%；同時器件可穩(wěn)定工作40900小時，亮度仍維持在初始亮度的95%，創(chuàng)下當(dāng)時溶液法LED器件的全球高紀(jì)錄。

三、光學(xué)表征與器件理論驗證

準(zhǔn)確的光學(xué)參數(shù)為器件光學(xué)設(shè)計與效率優(yōu)化提供了重要支撐。本工作通過SE-VM-L 型光譜橢偏儀測得 QD-LED 各功能層折射率與消光系數(shù)，為傳輸矩陣法計算光出耦合效率提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊利用傳輸矩陣法構(gòu)建器件光學(xué)模型，定量分析了面內(nèi)偶極子比例對光出耦合效率的影響：當(dāng)面內(nèi)偶極子比例由 69% 提升至 79%，理論外量子效率從 31.5% 升至 36.6%，與實(shí)驗測得的 35.6% 高度吻合，驗證了表征數(shù)據(jù)的可靠性及混合相量子點(diǎn)設(shè)計的科學(xué)性。

四、儀器簡介

SE-VM 是一款高精度快速測量光譜橢偏儀，采用雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器同步控制技術(shù)，集成微光斑消背反、樣品臺自準(zhǔn)直調(diào)平等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料光學(xué)特性（折射率和消光系數(shù)）及薄膜厚度的快速測量表征，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)研究、半導(dǎo)體制造、光學(xué)鍍膜等行業(yè)。