哈工深团队新型LED技术，为高质量3D显示提供新思路

在圆偏振发光二极管（CP-LED, circularly polarized light-emitting diode）领域，长期以来存在着一个看似不可调和的矛盾：想要获得高的发光效率，往往不得不牺牲光的偏振纯度；反之亦然。

近期，哈尔滨工业大学（深圳）与南开大学联合团队在Nature Communications上发表了一项重要成果 [1]，通过引入手性钙钛矿量子点并开发新型配体交换策略，成功打破了这一僵局，在单个器件中同时实现了高电致发光不对称因子和高外量子效率。

这项研究的核心突破在于，制备出的 R 型器件在绿光波段实现了高达 16.8% 的外量子效率，同时其电致发光不对称因子达到了 0.285；S 型器件也分别达到了 16.0% 和 0.251。

（来源：Nature Communications）

对于这一数据表现，相关论文通讯作者之一、哈尔滨工业大学（深圳）教授、2021 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”亚太区入选者陈怡沐指出，近期的研究有了一定程度的突破，例如在一项工作中，CP-LED 的外量子效率与发光不对称因子分别达到了 16% 与 0.1 左右。相比之下，我们的工作在保持同等甚至更高效率的同时，将不对称因子提升了近三倍，实现了两项核心指标的同步跃升。

图丨陈怡沐（来源：陈怡沐）

“圆偏振发光二极管领域的核心要求，就是既要有比较好的发光性能，同时发出的光又要能够产生比较高的不对称度，”陈怡沐对 DeepTech 说道，“这两个指标是核心指标。”

要理解这一突破的难度，需要先厘清 CP-LED 的工作原理。这类器件利用手性材料将电注入的载流子转化为圆偏振光，在三维显示、量子信息处理等领域具有巨大潜力。然而，传统的钙钛矿 CP-LED 多采用二维（2D）或准二维手性钙钛矿作为发光层。

这些材料虽然具备手性，但在电荷传输过程中，自旋极化的载流子容易发生“自旋弛豫”，即在发光前就丢失了自旋信息，导致最终发射出的圆偏振光纯度不够。如果为了保持自旋信息而强行调整结构，往往又会引入大量非辐射复合中心，导致发光效率大幅下降。

陈怡沐团队最初的研究重点并非器件应用，这一发现源于一个“意外”。据他回忆，团队最开始是专门做材料研究的，主要关注手性钙钛矿量子点的合成。

“并没有想去上到器件，”陈怡沐坦言，“但是做完材料之后，我们还是想着看看器件的一个效果。试完之后，发现这个效果还挺好的。”这种“无心插柳”促使团队开始深入挖掘背后的物理机制。

研究团队发现，与传统的二维材料不同，量子点具有极强的几何限域效应。量子点就像一个个微小的“能量陷阱”，拥有较大的激子结合能，能够将激子（电子 - 空穴对）紧紧束缚在极小的空间内。

陈怡沐解释道，现有的许多器件在实现方法上存在缺陷，载流子在传输过程中容易散失自旋信息。而他们提出的观点是，利用手性钙钛矿量子点作为“局域化的辐射复合中心”。

在这种机制下，手性钙钛矿量子点利用手性诱导自旋选择性（CISS, chiral-induced spin selectivity）效应，高效地筛选出特定自旋方向的载流子。更关键的是，一旦这些自旋极化的载流子进入量子点，由于量子点的强限域作用，它们会迅速复合发光，没有时间去发生自旋弛豫。

这种“快准狠”的发光过程，有效地避免了自旋信息的丢失，从而在保证高效率的同时，实现了高不对称度的圆偏振发光。

（来源：Nature Communications）

为了实现这一设想，材料的制备工艺至关重要。研究人员创新性地开发了一种超声辅助的配体交换策略。在合成过程中，利用超声波处理辅助去除量子点表面原本结合较弱的油酸（OAc）和油胺（OAm）配体，并高效地引入手性配体。

这一过程可以理解为给量子点做了一次深度的表面清洁与修饰。实验数据显示，超声处理显著提高了手性配体的交换效率（从 15.7% 提升至 43.9%）。

这种方法不仅赋予了量子点强烈的手性光学活性，还有效钝化了表面缺陷，减少了非辐射能量损失。经超声处理的手性量子点薄膜，其光致发光量子产率（PLQY, photoluminescence quantum yield）高达 94%，且载流子寿命显著延长。

尽管原理上行得通，但从实验室的材料到高性能器件的落地，团队经历了一个漫长的打磨过程。陈怡沐透露，这项工作是与其指导的第一位硕士研究生共同完成的，前后历时约三年。特别是在论文投稿后，审稿人已经给予了高度的评价，但也指出了器件运行稳定性方面的不足。

为此，团队利用三个月的时间进行了集中攻关，针对器件结构进行了深度优化，重点改善了效率滚降和开启电压等问题。“我们一步步从最初的材料到偶然发现，然后开始更深入研究，找出存在的问题并针对性优化。”

陈怡沐说道。最终呈现的器件不仅在核心指标上表现优异，在稳定性上也取得了长足进步。数据显示，该器件在初始亮度为 100 cd/m² 的条件下，半衰期（T50）约为 19.8 小时，且在连续运行 220 分钟后未见明显的电致发光衰减。

谈及应用前景, 陈怡沐认为该技术在 3D 显示领域具有很好的潜力。他表示, 利用这种技术“不仅可以实现 3D 显示屏, 还能配合人机交互, 很好地还原真实世界中携带空间信息和深度信息的视频信号”。

如果后端配合机器学习的感知器件,“就能把这个技术推广到人机交互领域, 让人们不用深入危险场景, 就能够对外界世界进行感知并做出正确判断”。

对于这项工作的学术贡献, 陈怡沐指出:“我们通过材料层面的创新设想, 结合器件和材料制备的大量优化, 最终实现了这种圆偏振发光二极管, 也可以称为‘自旋发光二极管’ 因为我们的机理与传统有机圆偏振发光二极管有一定区别。”

他强调, 无论是自旋二极管还是圆偏振发光二极管,“本质上都是发射圆偏振光, 我们的器件在这两个核心性能指标上实现了比较好的平衡”。

团队目前正在开展多个后续研究方向。陈怡沐透露,他们开发了圆偏振敏感视网膜形态器件,该器件能够模拟人眼功能,并额外集成圆偏振光敏感功能,从而增加获取信息的深度和广度。

此外,团队目前在CP-LED方面也取得了一定突破，能够实现发光不对因子的数倍提升。对于产业化应用,虽然目前器件稳定性尚未达到要求,但陈怡沐表示:“我们比较有信心,因为之前非手性钙钛矿量子点发光二极管的研究表明,稳定性问题很有可能得到解决。”

参考资料：

1.https://www.nature.com/articles/s41467-025-57472-8

运营/排版：何晨龙