纳米结构增强量子点薄膜与发光二极管光致发光效率的研究进展与展望

《The Innovation》：Enhancing luminescence of QD thin films, polymer composite films, and LED devices by nanostructures

本文针对量子点(QD)薄膜及其发光二极管(LED)器件中存在的光吸收效率低、光提取效率受限等关键科学问题，系统综述了利用表面等离激元、光子晶体、介质纳米天线等纳米结构增强其光致发光(PL)和电致发光(EL)性能的研究进展。文章详细阐述了各类纳米结构的作用机制，如Purcell效应、散射效应等，并总结了其在提升QD薄膜PL强度和QD-LED外量子效率(EQE)方面的应用策略与效果。该综述为设计高性能QD光电器件提供了重要的理论指导和技术路径。

　　

量子点（Quantum Dots, QDs），作为一种尺寸在纳米级别的半导体纳米晶，因其独特的光学特性——如尺寸可调的发光颜色、高色纯度、高光致发光量子产率（PLQY）等，在显示、照明、生物成像等领域展现出巨大的应用潜力。将量子点与聚合物混合制成量子点聚合物薄膜，是构建量子点发光二极管（QD-LED）和色彩转换层的关键材料。然而，这类薄膜及其器件在实际应用中面临着严峻的光学损耗挑战。在薄膜内部，量子点对激发光的吸收有限，并且其发出的光容易因全内反射（TIR）效应而被限制在薄膜内，无法有效出射。在QD-LED器件中，多层异质结构带来的波导模式、衬底模式以及金属电极对光的吸收和等离激元损耗，使得最终能够逃逸到空气中的光子比例很低，严重制约了器件的外量子效率（EQE）和亮度。

为了突破这些瓶颈，研究人员将目光投向了纳米光子学领域。通过在量子点体系中引入精心设计的纳米结构，可以从根本上改变光与物质的相互作用环境，从而显著增强其发光性能。发表在《The Innovation》的这篇综述文章，系统梳理了利用纳米结构增强量子点薄膜及其发光二极管性能的最新研究进展、作用机理与应用策略。

研究人员在综述中重点探讨了几类关键的纳米结构及其增强机制。表面等离激元纳米结构（如金属纳米颗粒或薄膜）能够通过局域场增强和Purcell效应（一种通过改变光学模式的局域态密度来加速发光体自发辐射速率的现象）来提升量子点的内量子效率（IQE）。介质光子晶体和纳米天线结构则主要通过其光子带隙或谐振模式来有效提取被限制的光子，提高光取出效率。此外，散射纳米粒子（如高折射率的BaTiO₃或TiO₂纳米粒子）被引入聚合物基质中，通过增加光程长和扰乱全内反射来增强激发光吸收和发光提取。

关键技术方法方面，该综述涵盖了多种纳米结构的制备与集成策略，包括纳米压印技术在器件功能层（如空穴传输层PEDOT:PSS、电子传输层ZnO）上制造光栅或纳米柱阵列；自组装方法构建金属纳米颗粒单层或核壳结构（如Au@SiO₂）以精确控制量子点与等离激元结构的距离；在高质量因子（Q因子）光学微腔（如光子晶体平板腔）中集成量子点薄膜以利用Purcell效应；以及将高折射率散射纳米粒子（如BaTiO₃, TiO₂）直接掺入量子点聚合物基质中以增强光散射。

表面等离激元纳米结构增强机制

表面等离激元纳米结构，特别是金属纳米颗粒或薄膜，其增强机制核心在于Purcell效应。当量子点置于金属纳米结构产生的局域增强电磁场中时，其自发辐射速率会显著提高。研究指出，通过精确控制介质间隔层（如SiO₂）的厚度来调节量子点与金属表面的距离，并使其表面等离激元共振峰与量子点的发射峰重叠，可实现显著的发光增强。例如，在Ag薄膜上构建SiO₂间隔层和QD薄膜的体系，实现了11倍的PL强度增强。更为高效的等离激元纳米贴片天线（Nano-Patch Antenna, NPA），通过将金属纳米立方体与下方的金属薄膜构成纳米间隙，将量子点置于该间隙内，实现了高达2300倍的PL增强，这主要归因于极大的Purcell因子（可达880）和极强的局域场增强。

介质纳米天线与光子晶体结构

与金属结构相比，由硅（Si）、氮化硅（Si₃N₄）等高折射率介质材料构成的纳米天线和光子晶体可以避免欧姆损耗，同时支持高Q值的谐振模式（如连续域中的束缚态，BIC）和导模共振（GMR）。这些结构通过调控光子态密度来增强量子点的辐射复合速率，并有效提取波导光。例如，在硅衬底上制备的二维光子晶体纳米孔阵列，与量子点薄膜结合后，实现了15倍的PL增强。将量子点薄膜本身制作成具有光子晶体纳米孔阵列的结构，甚至实现了23.5倍的增强，这得益于结构同时提供了Purcell效应增强和光提取效率的提升。

散射效应在量子点聚合物薄膜中的应用

对于分散在聚合物基质中的量子点，其主要的限制在于低浓度导致的激发光吸收不足以及薄膜-空气界面的全内反射。将高折射率纳米粒子（如BaTiO₃, n ~ 2.5）掺入聚合物基质，可以显著增强光散射，延长光程，促进量子点对光的吸收，同时破坏全内反射条件。研究表明，通过优化散射粒子的尺寸、浓度和折射率对比度，量子点聚合物薄膜的PL强度可获得8.6倍的提升。在薄膜表面构建周期性纳米结构（如光栅）也能有效提高光提取效率。

纳米结构在量子点发光二极管器件中的集成

将纳米结构集成到QD-LED器件中，是提高其EQE的关键途径。策略可分为两类：内部光提取结构和外部光提取结构。内部结构通常通过在器件的功能层（如PEDOT:PSS空穴注入层、ZnO电子传输层）上制作纳米图案（如纳米柱、光栅）来实现，旨在破坏器件内的波导模式。例如，在PEDOT:PSS层上制作纳米图案，使红色QD-LED的EQE从10.1%提升至21.2%，增强因子达2.1倍。外部结构则是在器件出光面（如玻璃衬底或顶部电极）上制作纳米结构（如SiO₂散射层、ZnO纳米柱阵列），用于提取衬底模式的光。在顶部发光QLED的IZO电极上增加SiO₂散射层，对蓝、绿、红光器件分别实现了2.34、1.50和1.35倍的增强。此外，将金属纳米粒子（如Au NPs）嵌入电荷传输层或作为独立的间隔层，可以利用表面等离激元共振效应提高量子点的IQE和器件的出光效率。

综上所述，该综述清晰地表明，合理设计和集成纳米结构是突破量子点光电器件性能瓶颈的有效策略。不同类型的纳米结构通过Purcell效应、局域场增强、散射效应以及模式提取等不同或协同的机制，分别或共同地提升了量子点的发光效率（IQE）和器件的光取出效率，最终显著增强了量子点薄膜的PL强度和QD-LED的EQE。

研究的讨论部分进一步指出，未来的发展方向在于优化纳米结构的参数（如形状、尺寸、周期），并探索多种纳米结构的协同效应（Hybrid Nanostructures），例如将高Purcell因子的等离激元纳米天线与高光提取效率的光子晶体结构相结合。同时，开发与柔性电子兼容的纳米结构制备工艺，以及将高折射率功能层（如TiO₂）引入器件结构以构建微腔或增强折射率对比度，也是提升器件性能的重要途径。这项系统性的综述为未来开发高效率、高亮度、高稳定性的量子点发光器件提供了宝贵的理论依据和技术路线图，对推动量子点在显示、固态照明等领域的实际应用具有重要的指导意义。