椭偏仪在薄膜光学表征中的应用：实现25.5%EQE的稳定电致发光二极管

胶体量子阱（CQWs）因其发光波长可调、谱线窄、光致发光量子产率高及稳定性优异，被视为新一代发光材料。其准二维结构产生强烈的垂直量子限域效应，同时保持面内激子离域特性，从而形成取向化的跃迁偶极矩，显著增强了光输出耦合能力，理论上外量子效率可接近40%。然而，要实现具有主导水平偶极取向的CQW薄膜的大面积可控制备，目前仍是巨大挑战。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文提出了一种两相驱动平面排列策略，结合Langmuir-Schaefer技术，成功制备出具有高水平取向比例的致密CQW薄膜。该策略利用两相界面驱动力，促使CQW在乙二醇亚相上形成均匀、致密排列的薄膜，其中水平偶极取向比例高达90%，光提取效率达到35.8%。基于此薄膜的发光二极管器件（有效面积4 mm²）实现了25.5%的外量子效率、59,620 cd m⁻²的最大亮度，以及出色的工作稳定性（在100 cd m⁻²亮度下T₉₅寿命＞16,233小时）。此外，该方法具备大面积制备能力，可制备均匀性良好的CQW薄膜（达100 cm²），并在4 cm²器件中保持亮度高于60,000 cd m⁻²，展现出良好的产业化前景。

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CQW薄膜的制备与形成机制

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CQW薄膜制备流程示意图:a旋涂工艺制备的薄膜中CQW呈现随机取向与松散堆积。b两相驱动平面排列工艺在乙二醇亚相上引导CQW实现水平取向与致密堆积，再转移至基板

传统旋涂法制备的CQW薄膜作为对照样品，旋涂过程中，离心力导致CQW在基板中心聚集、边缘稀疏，薄膜厚度不均，CQW取向随机，堆积疏松。

为克服这些问题，本研究设计了TDFA工艺：将CQW的氯仿溶液滴加至乙二醇亚相表面，利用两相间表面张力差实现溶液均匀铺展。CQW表面配体与乙二醇分子间的范德华相互作用具有晶面依赖性，宽面因接触面积大、作用位点多而相互作用更强，从而驱动CQW水平取向排列。同时，两相溶剂蒸汽压差异进一步诱导薄膜致密堆积。该工艺对温度波动具有良好稳定性，即使亚相温度升至30°C，CQW的致密水平排列结构仍得以保持。

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CQW薄膜的表征与形貌

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CQW薄膜形貌与光学性质对比：a, b对照薄膜（a）与TDFA薄膜（b）的TEM图像（比例尺：50 nm）。c, d对应薄膜的横截面光致发光强度分布。e, f对照薄膜（e）与TDFA薄膜（f）的AFM形貌图（比例尺：200 nm）。g, h对应薄膜的AFM振幅图（比例尺：200 nm）

透射电子显微镜图像显示，TDFA薄膜中的CQW呈现高度水平取向与紧密排列，而对照薄膜则分布随机且存在明显空隙。

光致发光成像与强度分布统计表明，TDFA薄膜发光均匀，强度变异系数仅为5.7%，远低于对照薄膜的31%。

原子力显微镜测得TDFA薄膜的均方根粗糙度仅为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图像进一步证实，TDFA薄膜厚度约9 nm，结构致密无孔，CQW主要呈水平取向；而对照薄膜厚度约16 nm，CQW取向随机且存在空隙。

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CQW薄膜的取向与跃迁偶极矩分析

CQW薄膜的晶体学取向与跃迁偶极矩分析：a, b对照薄膜（a）与TDFA薄膜（b）的GIWAXS图像。c CQW薄膜的背焦平面（BFP）图像。d沿BFP图像中虚线位置的p偏振光强度线性扫描结果

采用掠入射广角X射线散射分析晶体平面取向，结果显示TDFA薄膜中代表侧边与边缘的（111）和（311）晶面衍射信号减弱，而平行于基板的（220）晶面信号增强，间接表明其水平取向比例更高。

偏振分辨光致发光测量显示，TDFA薄膜的偏振度显著低于对照薄膜，说明其光学各向异性更弱，CQW更倾向于面内排列。

利用背焦平面成像直接表征跃迁偶极矩取向，结果显示TDFA薄膜的水平偶极比例达到约90%，而对照薄膜仅为约62%。通过逐层TDFA沉积构建的多层结构仍保持高水平取向比例（＞85%），证明了该方法的层状构建可靠性。

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CQW基LED的光提取模拟

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CQW基LED光输出耦合效率模拟： a采用偶极功率法与边界框法模拟的偶极辐射功率随波长变化关系。b模拟的输出耦合效率与波长的关系。c模拟的角分辨辐射分布。d, e对照器件（d）与TDFA器件（e）的输出耦合效率模拟结果。f两种器件配置的输出耦合效率对比

通过时域有限差分法模拟分析表明，高水平取向偶极能有效增强面内偶极-光子耦合，抑制寄生反射与表面等离子体激元模式损耗。模拟结果显示，在水平偶极比例为90%的TDFA构型中，光提取效率最高可达35.8%，显著高于对照构型的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器件电致发光的角分布（朗伯分布）。b归一化电致发光光谱。c电流密度-电压-亮度特性曲线。d外量子效率随亮度的变化曲线。e 30个独立器件的效率分布直方图。f器件在恒定电流下的亮度衰减曲线及寿命推算。g 通过TDFA法制备的10×10 cm²大面积均匀CQW薄膜在紫外灯下的照片（比例尺：2 cm）。h TDFA法制备的2×2 cm²大面积LED器件在高亮度工作下的照片（比例尺：1 cm）

器件表现出近似朗伯型发光分布。TDFA器件的电致发光光谱与对照器件基本一致，说明TDFA工艺未改变CQW的本征发光特性。

电流密度-电压-亮度曲线显示，TDFA器件在低电压区泄漏电流显著降低，且在工作区具有更高的电流密度，这归因于其更薄、无针孔、致密的发光层结构。TDFA器件实现了25.5%的峰值外量子效率与59,620 cd m⁻²的最大亮度，均优于对照器件。基于30个独立器件的统计显示，平均外量子效率为23.8%，工艺一致性良好。加速老化测试表明，器件在100 cd m⁻²亮度下的推算T₉₅寿命超过16,233小时，稳定性达到商业化水平。

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大面积制备能力

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与传统旋涂工艺相比，TDFA方法可减少90%的溶液消耗，并成功制备出10×10 cm²的大面积均匀CQW薄膜。基于该方法制备的2×2 cm²大面积LED器件，亮度仍可超过60,000 cd m⁻²，初步验证了其在大规模制造中的可行性。

本研究通过两相驱动平面排列策略，成功制备出具有90%水平偶极取向的致密CQW薄膜，实现了35.8%的高光提取效率，并在此基础上获得了高效率、高亮度与长寿命的CQW基LED器件。该方法兼具材料节约与大面积均匀制备能力，为溶液加工光电器件中跃迁偶极矩的取向工程提供了一种普适性策略。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

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

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