用介电微腔阵列对柔性量子点薄膜进行荧光调控的空间辐射光谱表征

来源：两江科技评论

【概述】2019 年，一篇发表于 Advanced Optical Materials 的封面文章——《Over 1000-Fold Enhancement of the Unidirectional Photoluminescence from a Microsphere-Cavity-Array-Capped QD/PDMS Composite Film for Flexible Lighting and Displays》，报道了柔性 量子点薄膜发光调控 领域的最新进展。

图1 介电微球腔阵列（MCA）结构的两种效应

及对荧光辐射的调控

文章基于柔性量子点薄膜表面的介电微球腔阵列，分别利用介电微球腔的 WGM 效应和定向天线效应，调控了量子点的内量子效率和外量子效率，成功地将定向辐射角度控制在 9° 范围，实现量子点薄膜荧光性能 3 个数量级的提高。这为具有高效、柔性、全色、可穿戴特点的新一代量子点发光及显示器件，奠定了一定的研发基础。      

【样品 & 测试】图2 为微球-空腔阵列(MCA)包封的 QD/PDMS 复合膜合成过程（图a, b）和形貌图（图c）。首先，以 9~11nm 商用 CdSe/ZnS 量子点作为发光源，以高吸附力的 PDMS 作为聚合物基体，通过混合-旋涂-加热流程，实现了厚约 6~120 μm 的三色 QD/PDMS 复合薄膜的制备（图2a）。然后，将高折射率微球喷到 QD/PDMS 复合膜上，用 3M 低粘胶带机械剥离多次，利用范德华力和静电力在薄膜表面制备六角密铺单层微球腔阵列（图2b），再次加热薄膜以达到微球阵列机械粘附力要求。

图2 微球-空腔阵列(MCA)包封的 QD/PDMS 复合膜

合成过程（图a-b）和形貌图（图c）

微球腔 WGM 及定向天线效应调控 QD/PDMS 量子效率的实验结果如图3所示。作者通过角分辨荧光光谱，表征样品的空间辐射特性，结果显示，样品的辐射角度被控制在垂直于样品的 ±4.5° 以内（图3b）。微球通过控制样品的定向辐射，显著提高了散射光发射的方向性，进而提高了 QD/PDMS 的外量子效率。作者再通过将激励激光聚焦到微球边缘，实现自由空间的最大耦合效率，观测到腔膜调控的微区荧光光谱（图3c）。此外，实验还证实了 QD/PDMS 的膜厚度和微球直径对量子效率的增强存在关键影响。

图3 微球腔 WGM 及定向天线效应调控 QD/PDMS 

量子效率的实验结果

【总结】综上，作者利用介电微球腔的光学回音壁谐振效应和定向天线效应实现了柔性量子点薄膜发光增强技术，并对可见光波段 R/G/B 三色量子点薄膜发光增强，在 RGB 多色混合和三层堆叠薄膜结构中实现了高效白光定向发射增强，获得 3 个数量级的荧光增强系数，为提升柔性发光及显示器件的性能提供了新的方案。

图4，复享 R1 系统对文中角分辨荧光光谱的表征

在微球腔定向天线效应提高 QD/PDMS 外量子效率的实验表征中，复享光学的 R1 角分辨光谱测量系统 是空间辐射光谱表征的有力工具：通过 空间辐射光谱 表征，证实定向天线效应可以将光致发光的角度限制在 9° 范围内，并因此提高了发光薄膜外量子效率。这为基于介电微球腔结构的光辐射调控技术的研究提供了强有力的支撑。

参考文献：

✽ Yang, Lixue,et al. "Over 1000‐Fold Enhancement of the Unidirectional Photoluminescence from aMicrosphere‐Cavity‐Array‐Capped QD/PDMS Composite Film for Flexible Lighting andDisplays."Advanced Optical Materials (2019).