膠體量子阱（CQWs）因其發光波長可調、譜線窄、光致發光量子產率高及穩定性優異，被視為新一代發光材料。其準二維結構產生強烈的垂直量子限域效應，同時保持面內激子離域特性，從而形成取向化的躍遷偶極矩，顯著增強了光輸出耦合能力，理論上外量子效率可接近40%。然而，要實現具有主導水平偶極取向的CQW薄膜的大面積可控制備，目前仍是巨大挑戰。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應用于薄膜材料、半導體和表面科學等領域。

本文提出了一種兩相驅動平面排列策略，結合Langmuir-Schaefer技術，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動力，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90%，光提取效率達到35.8%。基于此薄膜的發光二極管器件（有效面積4 mm2）實現了25.5%的外量子效率、59,620 cd m?2的最大亮度，以及出色的工作穩定性（在100 cd m?2亮度下T??壽命＞16,233小時）。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100 cm2），并在4 cm2器件中保持亮度高于60,000 cd m?2，展現出良好的產業化前景。

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CQW薄膜的制備與形成機制

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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呈現隨機取向與松散堆積。b兩相驅動平面排列工藝在乙二醇亞相上引導CQW實現水平取向與致密堆積，再轉移至基板

傳統旋涂法制備的CQW薄膜作為對照樣品，旋涂過程中，離心力導致CQW在基板中心聚集、邊緣稀疏，薄膜厚度不均，CQW取向隨機，堆積疏松。

為克服這些問題，本研究設計了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現溶液均勻鋪展。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、作用位點多而相互作用更強，從而驅動CQW水平取向排列。同時，兩相溶劑蒸汽壓差異進一步誘導薄膜致密堆積。該工藝對溫度波動具有良好穩定性，即使亞相溫度升至30°C，CQW的致密水平排列結構仍得以保持。

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CQW薄膜的表征與形貌

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CQW薄膜形貌與光學性質對比：a, b對照薄膜（a）與TDFA薄膜（b）的TEM圖像（比例尺：50 nm）。c, d對應薄膜的橫截面光致發光強度分布。e, f對照薄膜（e）與TDFA薄膜（f）的AFM形貌圖（比例尺：200 nm）。g, h對應薄膜的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呈現高度水平取向與緊密排列，而對照薄膜則分布隨機且存在明顯空隙。

光致發光成像與強度分布統計表明，TDFA薄膜發光均勻，強度變異系數僅為5.7%，遠低于對照薄膜的31%。

原子力顯微鏡測得TDFA薄膜的均方根粗糙度僅為0.79 nm，顯著低于對照薄膜的3.37 nm。

截面掃描透射電子顯微鏡圖像進一步證實，TDFA薄膜厚度約9 nm，結構致密無孔，CQW主要呈水平取向；而對照薄膜厚度約16 nm，CQW取向隨機且存在空隙。

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CQW薄膜的取向與躍遷偶極矩分析

CQW薄膜的晶體學取向與躍遷偶極矩分析：a, b對照薄膜（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偏振光強度線性掃描結果

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

偏振分辨光致發光測量顯示，TDFA薄膜的偏振度顯著低于對照薄膜，說明其光學各向異性更弱，CQW更傾向于面內排列。

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

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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變化關系。b模擬的輸出耦合效率與波長的關系。c模擬的角分辨輻射分布。d, e對照器件（d）與TDFA器件（e）的輸出耦合效率模擬結果。f兩種器件配置的輸出耦合效率對比

通過時域有限差分法模擬分析表明，高水平取向偶極能有效增強面內偶極-光子耦合，抑制寄生反射與表面等離子體激元模式損耗。模擬結果顯示，在水平偶極比例為90%的TDFA構型中，光提取效率最高可達35.8%，顯著高于對照構型的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器件電致發光的角分布（朗伯分布）。b歸一化電致發光光譜。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個獨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）

器件表現出近似朗伯型發光分布。TDFA器件的電致發光光譜與對照器件基本一致，說明TDFA工藝未改變CQW的本征發光特性。

電流密度-電壓-亮度曲線顯示，TDFA器件在低電壓區泄漏電流顯著降低，且在工作區具有更高的電流密度，這歸因于其更薄、無針孔、致密的發光層結構。TDFA器件實現了25.5%的峰值外量子效率與59,620 cd m?2的最大亮度，均優于對照器件。基于30個獨立器件的統計顯示，平均外量子效率為23.8%，工藝一致性良好。加速老化測試表明，器件在100 cd m?2亮度下的推算T??壽命超過16,233小時，穩定性達到商業化水平。

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大面積制備能力

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與傳統旋涂工藝相比，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。基于該方法制備的2×2 cm2大面積LED器件，亮度仍可超過60,000 cd m?2，初步驗證了其在大規模制造中的可行性。

本研究通過兩相驅動平面排列策略，成功制備出具有90%水平偶極取向的致密CQW薄膜，實現了35.8%的高光提取效率，并在此基礎上獲得了高效率、高亮度與長壽命的CQW基LED器件。該方法兼具材料節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單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數（如厚度）和物理參數（如折射率n、消光系數k）

• 先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結合費曼儀器全流程薄膜測量技術，助力半導體薄膜材料領域的高質量發展。

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

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