在圓偏振發(fā)光二極管（CP-LED, circularly polarized light-emitting diode）領域，長期以來存在著一個看似不可調(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（深圳）與南開大學聯(lián)合團隊在 Nature Communications 上發(fā)表了一項重要成果 [1]，通過引入手性鈣鈦礦量子點并開發(fā)新型配體交換策略，成功打破了這一僵局，在單個器件中同時實現(xiàn)了高電致發(fā)光不對稱因子和高外量子效率。
這項研究的核心突破在于，制備出的 R 型器件在綠光波段實現(xiàn)了高達 16.8% 的外量子效率，同時其電致發(fā)光不對稱因子達到了 0.285；S 型器件也分別達到了 16.0% 和 0.251。
圖丨手性鈣鈦礦量子點自旋發(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)，相關論文通訊作者之一、哈爾濱工業(yè)大學（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，例如在一項工作中，CP-LED 的外量子效率與發(fā)光不對稱因子分別達到了 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，將不對稱因子提升了近三倍，實現(xiàn)了兩項核心指標的同步躍升。
圖丨陳怡沐（來源：陳怡沐）“圓偏振發(fā)光二極管領域的核心要求，就是既要有比較好的發(fā)光性能，同時發(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，“這兩個指標是核心指標。”
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化為圓偏振光，在三維顯示、量子信息處理等領域具有巨大潛力。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行調(diào)整結構，往往又會引入大量非輻射復合中心，導致發(fā)光效率大幅下降。
陳怡沐團隊最初的研究重點并非器件應用，這一發(fā)現(xiàn)源于一個“意外”。據(jù)他回憶，團隊最開始是專門做材料研究的，主要關注手性鈣鈦礦量子點的合成。
“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效果。試完之后，發(fā)現(xiàn)這個效果還挺好的。”這種“無心插柳”促使團隊開始深入挖掘背后的物理機制。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的二維材料不同，量子點具有極強的幾何限域效應。量子點就像一個個微小的“能量陷阱”，擁有較大的激子結合能，能夠將激子（電子 - 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。而他們提出的觀點是，利用手性鈣鈦礦量子點作為“局域化的輻射復合中心”。
在這種機制下，手性鈣鈦礦量子點利用手性誘導自旋選擇性（CISS, chiral-induced spin selectivity）效應，高效地篩選出特定自旋方向的載流子。更關鍵的是，一旦這些自旋極化的載流子進入量子點，由于量子點的強限域作用，它們會迅速復合發(fā)光，沒有時間去發(fā)生自旋弛豫。
這種“快準狠”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，實現(xiàn)了高不對稱度的圓偏振發(fā)光。
圖丨手性鈣鈦礦量子點的優(yōu)化與自旋選擇性機制（來源：Nature Communications）為了實現(xiàn)這一設想，材料的制備工藝至關重要。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表面原本結合較弱的油酸（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做了一次深度的表面清潔與修飾。實驗數(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強烈的手性光學活性，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薄膜，其光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY, photoluminescence quantum yield）高達 94%，且載流子壽命顯著延長。
盡管原理上行得通，但從實驗室的材料到高性能器件的落地，團隊經(jīng)歷了一個漫長的打磨過程。陳怡沐透露，這項工作是與其指導的第一位碩士研究生共同完成的，前后歷時約三年。特別是在論文投稿后，審稿人已經(jīng)給予了高度的評價，但也指出了器件運行穩(wěn)定性方面的不足。
為此，團隊利用三個月的時間進行了集中攻關，針對器件結構進行了深度優(yōu)化，重點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上表現(xiàn)優(yōu)異，在穩(wěn)定性上也取得了長足進步。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，且在連續(xù)運行 220 分鐘后未見明顯的電致發(fā)光衰減。
談及應用前景, 陳怡沐認為該技術在 3D 顯示領域具有很好的潛力。他表示, 利用這種技術“不僅可以實現(xiàn) 3D 顯示屏, 還能配合人機交互, 很好地還原真實世界中攜帶空間信息和深度信息的視頻信號”。
如果后端配合機器學習的感知器件,“就能把這個技術推廣到人機交互領域, 讓人們不用深入危險場景, 就能夠對外界世界進行感知并做出正確判斷”。
對于這項工作的學術貢獻, 陳怡沐指出:“我們通過材料層面的創(chuàng)新設想, 結合器件和材料制備的大量優(yōu)化, 最終實現(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’ 因為我們的機理與傳統(tǒng)有機圓偏振發(fā)光二極管有一定區(qū)別。”
他強調(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核心性能指標上實現(xiàn)了比較好的平衡”。
團隊目前正在開展多個后續(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,團隊目前在 CP-LED 方面也取得了一定突破，能夠實現(xiàn)發(fā)光不對因子的數(shù)倍提升。對于產(chǎn)業(yè)化應用,雖然目前器件穩(wěn)定性尚未達到要求,但陳怡沐表示:“我們比較有信心,因為之前非手性鈣鈦礦量子點發(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
