面向高效稳定电致发光二极管的水平取向紧凑型胶体量子阱薄膜研究

《Nature Communications》：Horizontally oriented compact colloidal quantum well films enable efficient and stable electroluminescent diodes

本刊推荐：为解决胶体量子阱(CQW)薄膜中水平跃迁偶极矩(TDM)取向控制难题，研究人员开发了一种双相驱动平面排列(TDFA)策略结合Langmuir-Schaefer技术，成功制备出具有90%水平偶极取向的紧凑型CQW薄膜。该器件实现了25.5%的外量子效率(EQE)和59,620 cd m-2的最大亮度，在100 cd m-2亮度下运行寿命T95>16,233小时，同时可实现100 cm2大面积均匀制备，为溶液加工光电器件的产业化提供了新范式。

　　

在追求更高显示效率的科技浪潮中，胶体量子阱(Colloidal Quantum Wells, CQWs)以其独特的准二维结构展现出巨大潜力。这种纳米材料不仅具备可调谐发射、超窄线宽和近 unity（接近100%）的光致发光量子产率(PLQY)，其取向化的跃迁偶极矩(Transition Dipole Moments, TDMs)更带来了高达40%的理论外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)预期，远超传统发光材料。然而理想与现实之间始终存在一道鸿沟——如何让这些微小的量子阱在宏观薄膜中整齐"列队"，特别是实现有利于光提取的水平取向，成为制约其性能突破的关键瓶颈。

传统旋涂技术制备的薄膜往往呈现随机取向的"混乱现场"，量子阱在离心力作用下向基片边缘迁移，导致中心聚集、边缘稀疏的不均匀分布。喷墨打印虽能逐层沉积，却难以摆脱咖啡环效应的困扰，形成中心空洞和边缘堆积。这两种方法都无法实现高水平偶极取向，使得器件的实际效率与理论极限相去甚远。尽管近年来通过界面配体工程等策略实现了92%-95%的高水平偶极比例，但这些方法在大面积扩展、成本控制方面仍面临挑战。

针对这一难题，北京科技大学和中国科学院的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们创新性地开发出双相驱动平面排列(Two-Phase Driving Flat Arrangement, TDFA)策略，结合Langmuir-Schaefer技术，成功制备出具有90%水平偶极取向的紧凑型CQW薄膜。该技术利用氯仿中的CQW溶液在乙二醇亚相上形成均匀薄膜，通过量子阱配体与亚相分子间的范德华力(van der Waals, VDW)作用，以及宽晶面更强的面依赖性相互作用，促使CQWs在亚相上水平排列。两相间的界面驱动力进一步诱导其紧密堆积，最终通过水平提拉法将薄膜转移至空穴传输层上，获得致密排列的CQW薄膜。

关键技术方法包括：通过Langmuir-Schaefer技术实现CQW薄膜的定向组装；利用双相界面驱动力控制量子阱取向与堆积密度；采用背焦平面(Back Focal Plane, BFP)成像和掠入射广角X射线散射(Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering, GIWAXS)表征偶极取向；通过有限时域差分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)模拟验证光提取机制；构建ITO/PEDOT:PSS/PF8CZ/CQWs/ZnMgO/Al器件结构进行性能评估。

CQW薄膜的制备与形成机制

研究团队首先通过旋涂工艺制备对照样品，发现离心力主导的液滴径向扩散会导致CQWs向基片边缘迁移，形成中心厚边缘薄的非均匀膜层，量子阱呈现随机分布。相比之下，TDFA工艺利用表面张力和粘滞阻力控制扩散过程，使CQWs溶液在乙二醇亚相上以恒定线性速率扩散形成均匀厚度薄膜。当CQWs接近亚相时，其表面配体（油酸链）与乙二醇分子产生VDW相互作用，宽晶面因更大的接触面积和更高密度的相互作用位点而表现出更强相互作用，促使CQWs水平排列。同时，两相溶剂饱和蒸气压差异产生的驱动力促进了薄膜的紧密堆积。

CQW薄膜的表征与形貌

透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)结果显示，对照薄膜中CQWs分布随机不均，而TDFA薄膜呈现平坦紧凑结构，量子阱几乎完全水平排列，平均间距更小。光致发光(Photoluminescence, PL) mapping显示对照薄膜存在局部亮斑（量子阱聚集所致），TDFA薄膜则发射均匀。PL强度分布统计分析表明，TDFA薄膜的变异系数(Coefficient of Variation, CV)仅为5.7%，远低于对照薄膜的31%。原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)测量显示TDFA薄膜的均方根粗糙度(R_rms)为0.79 nm，显著低于对照薄膜的3.37 nm。截面扫描透射电子显微镜-高角环形暗场(STEM-HAADF)图像进一步证实，TDFA样品形成平均厚度约9 nm的主要水平排列结构，而对照样品厚度约16 nm且存在明显空隙。

胶体量子阱的取向分析

GIWAXS分析显示，对照薄膜在(111)和(311)晶面出现较亮衍射斑点，表明这些晶面存在优先取向，而TDFA薄膜在这些方向的衍射强度减弱。(220)晶面显示强烈连续衍射强度，表明大多数CQWs水平排列。偏振全息术显示对照样品的偏振度(Degree of Polarization, DOP)为0.353，TDFA薄膜降至0.196，表明后者具有更一致的平面排列。BFP成像进一步量化了水平偶极比例，对照薄膜为62%，TDFA薄膜达到90%。通过多层TDFA沉积制备的二层和三层薄膜仍保持85%以上的面内取向，证明该方法的稳健性。

CQW基LED的光提取模拟

FDTD模拟验证了高水平TDM薄膜的光提取增强效应。通过偶极功率法和箱体法两种互补模拟方法，在红光谱区域(621 nm)实现了约37.9%的光提取效率。基于实测的62%（对照）和90%（TDFA）水平偶极取向比例，模拟显示对照配置的最大光提取效率(η_out)为24.4%，TDFA配置达到35.8%，主要归因于改善的偶极排列和界面表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)模式的抑制。

CQW基LED的性能表现

器件性能测试显示，TDFA器件在低电压区域无泄漏电流，而对照器件存在明显泄漏，归因于TDFA薄膜的水平排列和紧凑形貌抑制了缺陷介导的泄漏电流。TDFA器件实现了25.5%的峰值EQE和59,620 cd m^-2的最大亮度，超越对照器件（19.83% EQE，39,880 cd m^-2）。30个独立制备器件的统计分析显示平均EQE为23.8%，证实了工艺的一致性。在加速老化条件下，基于实测T₉₅@10,000 cd m^-2≈152分钟，推算出T₉₅@100 cd m^-2超过16,233小时，达到商业化可行水平。大面积制备方面，TDFA方法实现了10×10 cm²均匀薄膜，材料消耗比旋涂减少90%，4 cm²活性面积的器件亮度超过60,000 cd m^-2。

2）。e 器件效率分布图。'>

这项研究通过TDFA策略成功构建了具有90%面内TDM排列的紧凑CQW薄膜，实现了接近理论极限的光提取效率（35.8%），使器件表现出25.5%的EQE、59,620 cd m^-2的最大亮度和超过16,233小时的运行寿命。更重要的是，该方法展示了可扩展制备能力，能够制备100 cm²大面积均匀薄膜，材料消耗降低90%，为大面积溶液加工光电器件的产业化铺平了道路。该技术不依赖于特定材料体系，为调控溶液加工光电器件中的TDM取向提供了普适性范式，对推动下一代显示技术的发展具有重要意义。