膠體量子阱（CQWs）因其發(fā)光波長(zhǎng)可調(diào)、譜線窄、光致發(fā)光量子產(chǎn)率高及穩(wěn)定性優(yōu)異，被視為新一代發(fā)光材料。其準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直量子限域效應(yīng)，同時(shí)保持面內(nèi)激子離域特性，從而形成取向化的躍遷偶極矩，顯著增強(qiáng)了光輸出耦合能力，理論上外量子效率可接近40%。然而，要實(shí)現(xiàn)具有主導(dǎo)水平偶極取向的CQW薄膜的大面積可控制備，目前仍是巨大挑戰(zhàn)。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本文提出了一種兩相驅(qū)動(dòng)平面排列策略，結(jié)合Langmuir-Schaefer技術(shù)，成功制備出具有高水平取向比例的致密CQW薄膜。該策略利用兩相界面驅(qū)動(dòng)力，促使CQW在乙二醇亞相上形成均勻、致密排列的薄膜，其中水平偶極取向比例高達(dá)90%，光提取效率達(dá)到35.8%。基于此薄膜的發(fā)光二極管器件（有效面積4 mm2）實(shí)現(xiàn)了25.5%的外量子效率、59,620 cd m?2的最大亮度，以及出色的工作穩(wěn)定性（在100 cd m?2亮度下T??壽命＞16,233小時(shí)）。此外，該方法具備大面積制備能力，可制備均勻性良好的CQW薄膜（達(dá)100 cm2），并在4 cm2器件中保持亮度高于60,000 cd m?2，展現(xiàn)出良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

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CQW薄膜的制備與形成機(jī)制

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CQW薄膜制備流程示意圖:a旋涂工藝制備的薄膜中CQW呈現(xiàn)隨機(jī)取向與松散堆積。b兩相驅(qū)動(dòng)平面排列工藝在乙二醇亞相上引導(dǎo)CQW實(shí)現(xiàn)水平取向與致密堆積，再轉(zhuǎn)移至基板

傳統(tǒng)旋涂法制備的CQW薄膜作為對(duì)照樣品，旋涂過(guò)程中，離心力導(dǎo)致CQW在基板中心聚集、邊緣稀疏，薄膜厚度不均，CQW取向隨機(jī)，堆積疏松。

為克服這些問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了TDFA工藝：將CQW的氯仿溶液滴加至乙二醇亞相表面，利用兩相間表面張力差實(shí)現(xiàn)溶液均勻鋪展。CQW表面配體與乙二醇分子間的范德華相互作用具有晶面依賴性，寬面因接觸面積大、作用位點(diǎn)多而相互作用更強(qiáng)，從而驅(qū)動(dòng)CQW水平取向排列。同時(shí)，兩相溶劑蒸汽壓差異進(jìn)一步誘導(dǎo)薄膜致密堆積。該工藝對(duì)溫度波動(dòng)具有良好穩(wěn)定性，即使亞相溫度升至30°C，CQW的致密水平排列結(jié)構(gòu)仍得以保持。

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CQW薄膜的表征與形貌

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CQW薄膜形貌與光學(xué)性質(zhì)對(duì)比：a, b對(duì)照薄膜（a）與TDFA薄膜（b）的TEM圖像（比例尺：50 nm）。c, d對(duì)應(yīng)薄膜的橫截面光致發(fā)光強(qiáng)度分布。e, f對(duì)照薄膜（e）與TDFA薄膜（f）的AFM形貌圖（比例尺：200 nm）。g, h對(duì)應(yīng)薄膜的AFM振幅圖（比例尺：200 nm）

透射電子顯微鏡圖像顯示，TDFA薄膜中的CQW呈現(xiàn)高度水平取向與緊密排列，而對(duì)照薄膜則分布隨機(jī)且存在明顯空隙。

光致發(fā)光成像與強(qiáng)度分布統(tǒng)計(jì)表明，TDFA薄膜發(fā)光均勻，強(qiáng)度變異系數(shù)僅為5.7%，遠(yuǎn)低于對(duì)照薄膜的31%。

原子力顯微鏡測(cè)得TDFA薄膜的均方根粗糙度僅為0.79 nm，顯著低于對(duì)照薄膜的3.37 nm。

截面掃描透射電子顯微鏡圖像進(jìn)一步證實(shí)，TDFA薄膜厚度約9 nm，結(jié)構(gòu)致密無(wú)孔，CQW主要呈水平取向；而對(duì)照薄膜厚度約16 nm，CQW取向隨機(jī)且存在空隙。

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CQW薄膜的取向與躍遷偶極矩分析

CQW薄膜的晶體學(xué)取向與躍遷偶極矩分析：a, b對(duì)照薄膜（a）與TDFA薄膜（b）的GIWAXS圖像。c CQW薄膜的背焦平面（BFP）圖像。d沿BFP圖像中虛線位置的p偏振光強(qiáng)度線性掃描結(jié)果

采用掠入射廣角X射線散射分析晶體平面取向，結(jié)果顯示TDFA薄膜中代表側(cè)邊與邊緣的（111）和（311）晶面衍射信號(hào)減弱，而平行于基板的（220）晶面信號(hào)增強(qiáng)，間接表明其水平取向比例更高。

偏振分辨光致發(fā)光測(cè)量顯示，TDFA薄膜的偏振度顯著低于對(duì)照薄膜，說(shuō)明其光學(xué)各向異性更弱，CQW更傾向于面內(nèi)排列。

利用背焦平面成像直接表征躍遷偶極矩取向，結(jié)果顯示TDFA薄膜的水平偶極比例達(dá)到約90%，而對(duì)照薄膜僅為約62%。通過(guò)逐層TDFA沉積構(gòu)建的多層結(jié)構(gòu)仍保持高水平取向比例（＞85%），證明了該方法的層狀構(gòu)建可靠性。

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CQW基LED的光提取模擬

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CQW基LED光輸出耦合效率模擬： a采用偶極功率法與邊界框法模擬的偶極輻射功率隨波長(zhǎng)變化關(guān)系。b模擬的輸出耦合效率與波長(zhǎng)的關(guān)系。c模擬的角分辨輻射分布。d, e對(duì)照器件（d）與TDFA器件（e）的輸出耦合效率模擬結(jié)果。f兩種器件配置的輸出耦合效率對(duì)比

通過(guò)時(shí)域有限差分法模擬分析表明，高水平取向偶極能有效增強(qiáng)面內(nèi)偶極-光子耦合，抑制寄生反射與表面等離子體激元模式損耗。模擬結(jié)果顯示，在水平偶極比例為90%的TDFA構(gòu)型中，光提取效率最高可達(dá)35.8%，顯著高于對(duì)照構(gòu)型的24.4%。

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CQW基LED的器件性能

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CQW基LED的器件性能:a器件電致發(fā)光的角分布（朗伯分布）。b歸一化電致發(fā)光光譜。c電流密度-電壓-亮度特性曲線。d外量子效率隨亮度的變化曲線。e 30個(gè)獨(dú)立器件的效率分布直方圖。f器件在恒定電流下的亮度衰減曲線及壽命推算。g 通過(guò)TDFA法制備的10×10 cm2大面積均勻CQW薄膜在紫外燈下的照片（比例尺：2 cm）。h TDFA法制備的2×2 cm2大面積LED器件在高亮度工作下的照片（比例尺：1 cm）

器件表現(xiàn)出近似朗伯型發(fā)光分布。TDFA器件的電致發(fā)光光譜與對(duì)照器件基本一致，說(shuō)明TDFA工藝未改變CQW的本征發(fā)光特性。

電流密度-電壓-亮度曲線顯示，TDFA器件在低電壓區(qū)泄漏電流顯著降低，且在工作區(qū)具有更高的電流密度，這歸因于其更薄、無(wú)針孔、致密的發(fā)光層結(jié)構(gòu)。TDFA器件實(shí)現(xiàn)了25.5%的峰值外量子效率與59,620 cd m?2的最大亮度，均優(yōu)于對(duì)照器件。基于30個(gè)獨(dú)立器件的統(tǒng)計(jì)顯示，平均外量子效率為23.8%，工藝一致性良好。加速老化測(cè)試表明，器件在100 cd m?2亮度下的推算T??壽命超過(guò)16,233小時(shí)，穩(wěn)定性達(dá)到商業(yè)化水平。

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大面積制備能力

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與傳統(tǒng)旋涂工藝相比，TDFA方法可減少90%的溶液消耗，并成功制備出10×10 cm2的大面積均勻CQW薄膜?；谠摲椒ㄖ苽涞?×2 cm2大面積LED器件，亮度仍可超過(guò)60,000 cd m?2，初步驗(yàn)證了其在大規(guī)模制造中的可行性。

本研究通過(guò)兩相驅(qū)動(dòng)平面排列策略，成功制備出具有90%水平偶極取向的致密CQW薄膜，實(shí)現(xiàn)了35.8%的高光提取效率，并在此基礎(chǔ)上獲得了高效率、高亮度與長(zhǎng)壽命的CQW基LED器件。該方法兼具材料節(jié)約與大面積均勻制備能力，為溶液加工光電器件中躍遷偶極矩的取向工程提供了一種普適性策略。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問(wèn)題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測(cè)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《Horizontally oriented compact colloidal quantum well films enable efficient and stable electroluminescent diodes》

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