混合相量子点自组装技术实现QD-LED外量子效率新突破

中科大、河南大学与多伦多大学联合团队在《Nature Photonics》发表研究，利用混合相 CdZnSeS 量子点中的偶极-偶极相互作用使量子点有效排列，增强了发光二极管中的光子外耦合。通过该技术突破平面QD-LED外量子效率30%的理论极限，实现35.6%的峰值外量子效率。

DOI:10.1038/s41566-023-01344-4

一、行业核心痛点

长期以来，QD-LED 的外量子效率（EQE）一直受限于光子出射耦合效率不足，通常只有大约 30% 的光子能逸出器件。传统的各向异性纳米结构，虽然可以靠范德华力让材料定向排列，但采用这种各向异性QD-LED的辐射复合效率较低，光子出射耦合的增益被内量子效率的损失所抵消，最终器件整体性能反而得不到真正提升。

二、核心技术突破：WZ/ZB 混合相设计

本研究创新性提出纤锌矿（WZ）/ 闪锌矿（ZB）混合相的设计思路，利用混合相量子点中的偶极-偶极相互作用使量子点有效排列，增强了发光二极管中的光子外耦合效率。

通过在纤锌矿相中引入更高离子性的组分来增大偶极矩，实现了强偶极 - 偶极相互作用和量子点的均匀取向排列。同时，闪锌矿相有助于解除轻空穴和重空穴的简并，实现定向发光。两种结构特性协同作用，在不损失内量子效率的同时提升了光子外耦合效率。

该策略基于常规溶液法实现，量子点取向由材料本征结构决定，对旋涂等制备条件不敏感。器件在低偏压下EQE即超过30%，亮度覆盖1,000-120,000 cd·m⁻²，峰值达35.6%、平均值34.2%；经中国计量院认证，其峰值外量子效率为34%；同时器件可稳定工作40900小时，亮度仍维持在初始亮度的95%，创下当时溶液法LED器件的全球高纪录。

三、光学表征与器件理论验证

准确的光学参数为器件光学设计与效率优化提供了重要支撑。本工作通过SE-VM-L 型光谱椭偏仪测得 QD-LED 各功能层折射率与消光系数，为传输矩阵法计算光出耦合效率提供了基础数据。研究团队利用传输矩阵法构建器件光学模型，定量分析了面内偶极子比例对光出耦合效率的影响：当面内偶极子比例由 69% 提升至 79%，理论外量子效率从 31.5% 升至 36.6%，与实验测得的 35.6% 高度吻合，验证了表征数据的可靠性及混合相量子点设计的科学性。

四、仪器简介

SE-VM 是一款高精度快速测量光谱椭偏仪，采用双旋转补偿器同步控制技术，集成微光斑消背反、样品台自准直调平等技术，实现材料光学特性（折射率和消光系数）及薄膜厚度的快速测量表征，广泛应用于基础科学研究、半导体制造、光学镀膜等行业。