近日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室“極端光學(xué)團(tuán)隊”高宇南課題組與合作者，通過改變襯底的表面特性和溶液內(nèi)納米晶的相互作用，成功實現(xiàn)具有高度空間和光輻射偶極矩取向的量子阱自組裝層，并由此制備出了高性能的膠體量子阱發(fā)光二極管。相關(guān)研究成果以“基于自組裝膠體量子阱的高效發(fā)光二極管”（Highly Efficient Light-emitting Diodes based on Self-assembled Colloidal Quantum Wells）為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

基于納米晶的發(fā)光二極管具有低成本、高發(fā)射效率、窄光譜、長壽命等優(yōu)點，因而在下一代高清顯示技術(shù)與照明應(yīng)用中均具有巨大潛力。此前，納米晶-發(fā)光二極管領(lǐng)域已取得了重大進(jìn)展，展現(xiàn)了接近30%的高外量子效率和超過10,000小時的壽命。然而，器件中外量子效率的進(jìn)一步提升受到了外耦合因子的限制，這是決定器件最大光提取效率的關(guān)鍵參數(shù)。各項同性納米晶的垂直躍遷偶極矩動量因與金屬電極產(chǎn)生較強的耦合并以等離激元模式損失了大部分能量。因此，提高水平躍遷偶極矩動量分布一直被認(rèn)為是提升外量子效率的重要方法，圖1。

為實現(xiàn)提高水平躍遷偶極矩動量分布以提高外耦合因子，研究團(tuán)隊對具有片狀形貌的膠體量子阱納米晶體系開展了從合成方法（Adv. Opt. Mater. 2022, 10, 2200469; Small, 2022, 18, 2204120），自組裝控制(J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 11, 4524)，激子物理(Nano Res.  2023，16, 10420)，到納米晶LED (J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 39, 9051)器件物理，以及微納激光(ACS Photonics 2023, 10, 5, 1397)的系統(tǒng)性研究工作。在前期工作的積累之上，在此研究工作中研究團(tuán)隊考慮了不同襯底平整度與膠體量子阱之間的相互作用，通過易與電致發(fā)光器件相結(jié)合的旋涂法成功制備了方向性一致的發(fā)光自組裝層。通過對后焦面成像得到的動量空間分布結(jié)果進(jìn)行擬合，可以得到發(fā)射層的面內(nèi)躍遷偶極矩動量分布高達(dá)95%（圖2），最 高實現(xiàn)了37%的外耦合效率。

研究團(tuán)隊并在膠體量子阱發(fā)光二極管中引入新型聚合物傳輸層PF8Cz。PF8Cz聚合物含有剛性、平面的咔唑單元，并與芴單元共聚。與傳統(tǒng)的TFB傳輸層相比，這一特性導(dǎo)致了較淺的最低未被占據(jù)分子軌道能級并有效抑制了無序性，使得電子從發(fā)光層轉(zhuǎn)移到空穴傳輸層具有更大的勢壘。最終，外量子效率達(dá)26.9%的高穩(wěn)定性膠體量子阱發(fā)光二極管被實現(xiàn)，超過了此前常規(guī)膠體量子阱發(fā)光器件的性能，展示了其在光電子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。

發(fā)表成果中，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所博士研究生朱云柯、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院及劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室鄧云洲博士為共同第 一作者，高宇南研究員及浙江大學(xué)化學(xué)系金一政教授為共同通訊作者，合作者包括北京大學(xué)物理學(xué)院、浙江大學(xué)化學(xué)系、北京大學(xué)電子顯微鏡實驗室多位研究人員。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、介觀物理國家重點實驗室，教育部納光電科學(xué)研究中心，北京大學(xué)長三角光電研究院等的支持。