在圓偏振發(fā)光二極管（CP-LED, circularly polarized light-emitting diode）領(lǐng)域，長期以來存在著一個(gè)看似不可調(diào)和的矛盾：想要獲得高的發(fā)光效率，往往不得不犧牲光的偏振純度；反之亦然。
近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）與南開大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在 Nature Communications 上發(fā)表了一項(xiàng)重要成果 [1]，通過引入手性鈣鈦礦量子點(diǎn)并開發(fā)新型配體交換策略，成功打破了這一僵局，在單個(gè)器件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高電致發(fā)光不對稱因子和高外量子效率。
這項(xiàng)研究的核心突破在于，制備出的 R 型器件在綠光波段實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 16.8% 的外量子效率，同時(shí)其電致發(fā)光不對稱因子達(dá)到了 0.285；S 型器件也分別達(dá)到了 16.0% 和 0.251。
圖丨手性鈣鈦礦量子點(diǎn)自旋發(fā)光二極管的性能表現(xiàn)（來源：Nature Communications）對于這一數(shù)據(jù)表現(xiàn)，相關(guān)論文通訊作者之一、哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）教授、2021 年《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”亞太區(qū)入選者陳怡沐指出，近期的研究有了一定程度的突破，例如在一項(xiàng)工作中，CP-LED 的外量子效率與發(fā)光不對稱因子分別達(dá)到了 16% 與 0.1 左右。相比之下，我們的工作在保持同等甚至更高效率的同時(shí)，將不對稱因子提升了近三倍，實(shí)現(xiàn)了兩項(xiàng)核心指標(biāo)的同步躍升。
圖丨陳怡沐（來源：陳怡沐）“圓偏振發(fā)光二極管領(lǐng)域的核心要求，就是既要有比較好的發(fā)光性能，同時(shí)發(fā)出的光又要能夠產(chǎn)生比較高的不對稱度，”陳怡沐對 DeepTech 說道，“這兩個(gè)指標(biāo)是核心指標(biāo)。”
要理解這一突破的難度，需要先厘清 CP-LED 的工作原理。這類器件利用手性材料將電注入的載流子轉(zhuǎn)化為圓偏振光，在三維顯示、量子信息處理等領(lǐng)域具有巨大潛力。然而，傳統(tǒng)的鈣鈦礦 CP-LED 多采用二維（2D）或準(zhǔn)二維手性鈣鈦礦作為發(fā)光層。
這些材料雖然具備手性，但在電荷傳輸過程中，自旋極化的載流子容易發(fā)生“自旋弛豫”，即在發(fā)光前就丟失了自旋信息，導(dǎo)致最終發(fā)射出的圓偏振光純度不夠。如果為了保持自旋信息而強(qiáng)行調(diào)整結(jié)構(gòu)，往往又會(huì)引入大量非輻射復(fù)合中心，導(dǎo)致發(fā)光效率大幅下降。
陳怡沐團(tuán)隊(duì)最初的研究重點(diǎn)并非器件應(yīng)用，這一發(fā)現(xiàn)源于一個(gè)“意外”。據(jù)他回憶，團(tuán)隊(duì)最開始是專門做材料研究的，主要關(guān)注手性鈣鈦礦量子點(diǎn)的合成。
“并沒有想去上到器件，”陳怡沐坦言，“但是做完材料之后，我們還是想著看看器件的一個(gè)效果。試完之后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)效果還挺好的。”這種“無心插柳”促使團(tuán)隊(duì)開始深入挖掘背后的物理機(jī)制。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的二維材料不同，量子點(diǎn)具有極強(qiáng)的幾何限域效應(yīng)。量子點(diǎn)就像一個(gè)個(gè)微小的“能量陷阱”，擁有較大的激子結(jié)合能，能夠?qū)⒓ぷ樱娮?- 空穴對）緊緊束縛在極小的空間內(nèi)。
陳怡沐解釋道，現(xiàn)有的許多器件在實(shí)現(xiàn)方法上存在缺陷，載流子在傳輸過程中容易散失自旋信息。而他們提出的觀點(diǎn)是，利用手性鈣鈦礦量子點(diǎn)作為“局域化的輻射復(fù)合中心”。
在這種機(jī)制下，手性鈣鈦礦量子點(diǎn)利用手性誘導(dǎo)自旋選擇性（CISS, chiral-induced spin selectivity）效應(yīng)，高效地篩選出特定自旋方向的載流子。更關(guān)鍵的是，一旦這些自旋極化的載流子進(jìn)入量子點(diǎn)，由于量子點(diǎn)的強(qiáng)限域作用，它們會(huì)迅速復(fù)合發(fā)光，沒有時(shí)間去發(fā)生自旋弛豫。
這種“快準(zhǔn)狠”的發(fā)光過程，有效地避免了自旋信息的丟失，從而在保證高效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高不對稱度的圓偏振發(fā)光。
圖丨手性鈣鈦礦量子點(diǎn)的優(yōu)化與自旋選擇性機(jī)制（來源：Nature Communications）為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，材料的制備工藝至關(guān)重要。研究人員創(chuàng)新性地開發(fā)了一種超聲輔助的配體交換策略。在合成過程中，利用超聲波處理輔助去除量子點(diǎn)表面原本結(jié)合較弱的油酸（OAc）和油胺（OAm）配體，并高效地引入手性配體。
這一過程可以理解為給量子點(diǎn)做了一次深度的表面清潔與修飾。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，超聲處理顯著提高了手性配體的交換效率（從 15.7% 提升至 43.9%）。
這種方法不僅賦予了量子點(diǎn)強(qiáng)烈的手性光學(xué)活性，還有效鈍化了表面缺陷，減少了非輻射能量損失。經(jīng)超聲處理的手性量子點(diǎn)薄膜，其光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY, photoluminescence quantum yield）高達(dá) 94%，且載流子壽命顯著延長。
盡管原理上行得通，但從實(shí)驗(yàn)室的材料到高性能器件的落地，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的打磨過程。陳怡沐透露，這項(xiàng)工作是與其指導(dǎo)的第一位碩士研究生共同完成的，前后歷時(shí)約三年。特別是在論文投稿后，審稿人已經(jīng)給予了高度的評價(jià)，但也指出了器件運(yùn)行穩(wěn)定性方面的不足。
為此，團(tuán)隊(duì)利用三個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行了集中攻關(guān)，針對器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深度優(yōu)化，重點(diǎn)改善了效率滾降和開啟電壓等問題。“我們一步步從最初的材料到偶然發(fā)現(xiàn)，然后開始更深入研究，找出存在的問題并針對性優(yōu)化。”
陳怡沐說道。最終呈現(xiàn)的器件不僅在核心指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異，在穩(wěn)定性上也取得了長足進(jìn)步。數(shù)據(jù)顯示，該器件在初始亮度為 100 cd/m² 的條件下，半衰期（T50）約為 19.8 小時(shí)，且在連續(xù)運(yùn)行 220 分鐘后未見明顯的電致發(fā)光衰減。
談及應(yīng)用前景, 陳怡沐認(rèn)為該技術(shù)在 3D 顯示領(lǐng)域具有很好的潛力。他表示, 利用這種技術(shù)“不僅可以實(shí)現(xiàn) 3D 顯示屏, 還能配合人機(jī)交互, 很好地還原真實(shí)世界中攜帶空間信息和深度信息的視頻信號(hào)”。
如果后端配合機(jī)器學(xué)習(xí)的感知器件,“就能把這個(gè)技術(shù)推廣到人機(jī)交互領(lǐng)域, 讓人們不用深入危險(xiǎn)場景, 就能夠?qū)ν饨缡澜邕M(jìn)行感知并做出正確判斷”。
對于這項(xiàng)工作的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn), 陳怡沐指出:“我們通過材料層面的創(chuàng)新設(shè)想, 結(jié)合器件和材料制備的大量優(yōu)化, 最終實(shí)現(xiàn)了這種圓偏振發(fā)光二極管, 也可以稱為‘自旋發(fā)光二極管’ 因?yàn)槲覀兊臋C(jī)理與傳統(tǒng)有機(jī)圓偏振發(fā)光二極管有一定區(qū)別。”
他強(qiáng)調(diào), 無論是自旋二極管還是圓偏振發(fā)光二極管,“本質(zhì)上都是發(fā)射圓偏振光, 我們的器件在這兩個(gè)核心性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了比較好的平衡”。
團(tuán)隊(duì)目前正在開展多個(gè)后續(xù)研究方向。陳怡沐透露,他們開發(fā)了圓偏振敏感視網(wǎng)膜形態(tài)器件,該器件能夠模擬人眼功能,并額外集成圓偏振光敏感功能,從而增加獲取信息的深度和廣度。
此外,團(tuán)隊(duì)目前在 CP-LED 方面也取得了一定突破，能夠實(shí)現(xiàn)發(fā)光不對因子的數(shù)倍提升。對于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,雖然目前器件穩(wěn)定性尚未達(dá)到要求,但陳怡沐表示:“我們比較有信心,因?yàn)橹胺鞘中遭}鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光二極管的研究表明,穩(wěn)定性問題很有可能得到解決。”
參考資料：
1.https://www.nature.com/articles/s41467-025-57472-8
