线偏振光在众多应用场景中至关重要，包括光学测量分析、生物成像、伪造品检测、液晶显示器以及新兴的三维显示技术等。现有技术产生的线偏振光是通过将非偏振光通过线偏振片过滤获得，常见的线偏振片由高度定向的长链分子或具有光子结构的金属网格构成，这会将光强降低两倍或更多。这种通过过滤非偏振光来产生的线偏振光，会导致大量能量损失并需要额外的光学器件。因此开发新型的，无需光学结构的偏振光光源对于减少能源损耗和高效成像，通讯和显示技术具有重要意义。
钙钛矿胶体量子点已经有报道证明能发出有一定线性偏振的光，特别是各向异性的量子点，例如纳米线，纳米棒等。这些非对称的单一量子点的线性偏振能达到大于70%，但是尝试将这些量子点制成薄膜和器件时，因为尺寸的不均一性等原因，量子点在薄膜中排列无序，大大降低了器件的发光偏振性。其次，常规报道的钙钛矿纳米晶因为大尺寸和对称的形状，激子的精细结构裂分不明显，通常没有明显的线性发光特性。
基于此,牛津大学Robert Hoye教授（通讯作者）和叶俊志博士（第一作者），剑桥大学Akshay Rao教授（通讯作者）和戴霖杰博士（通讯作者），实现了由CsPbI3钙钛矿胶体纳米片超晶格制成的发光二极管(LED)直接发射线偏振光。该成果以Direct linearly polarized electroluminescence from perovskite nanoplatelet superlattices为题发表Nature Photonics。
首先，研究人员通过优化合成温度和前驱体比例，制备了高度尺寸均一的纳米片，其在纵向厚度只有大约2.5纳米。通过调控溶剂的种类和蒸发速度，实现了纳米片在薄膜上的有取向性的超晶格排列，包括躺立排列和站立排列（如图1所示）。
图1：自组装CsPbI3 纳米片超晶格的取向调控。展示了不同溶剂类型和蒸发压对取向调控的作用，并通过二维GIWAXS （掠入射广角X射线衍射）表征了躺立和站立纳米片在薄膜上的排列。
为了证明了超晶格的形成和跃迁偶极矩的有序排列，研究人员分别通过结构表征（掠入射广角X射线衍射）和光学表征（角变换动量空间傅里叶显微镜）来讨论自组装的超晶格的取向性排列（如图2所示）。GIWAXS数据展示了在q空间中有序排列的低于第一布拉格峰的衍射峰，代表了超晶格（SL）的形成（如图2b所示）。同时，光学模拟显示，躺立排列的纳米片超晶格因为面内偶极子排列平行于基板，导致的在垂直方向的发光更强，而站立排列的纳米片超晶格因为面内偶极子排列垂直于基板，导致的在平行方向的发光更强（如图2c所示）。这一模拟结果与角变换动量空间傅里叶显微镜测试结果相吻合（如图2d和2e所示）。
图2：自组装的超晶格的取向性排列的结构表征（掠入射广角X射线衍射）和光学表征（角变换动量空间傅里叶显微镜）
钙钛矿量子点中的线性偏振发光来源于电子能带中的激子精细结构裂分。首先，研究人员通过在不同激发激光强度下测得的静态荧光光谱确认了发光强度与激发强度的线性关系，证明了超薄纳米片中的发光主体为激子发光。并使用碘化铅前驱体溶液钝化纳米片表面缺陷，超快瞬态吸收光谱和荧光光谱证明钝化后的纳米片中，其缺陷复合和激子-激子湮灭的非辐射性复合过程减少，从而提高了发光效率（如图3所示）。
图3：纳米片发光机制和缺陷钝化
钝化后的材料提升了器件效率，同时因为偶极子的排列问题，站立排列的纳米片薄膜和器件拥有比躺立纳米片更高的偏振发光。与之对比的弱限域纳米晶(CsPbI3)和体相薄膜(FAPbI3) 发光则没有明显的线性偏振性。其中站立排列的器件最大偏振度能达到70%以上，接近了单量子点的发光偏振度（如图4所示）。
为了探索纳米片体系中高偏振发光的由来，研究人员通过低温荧光测量了激子精细裂分能量。研究人员发现纳米片拥有比弱限域纳米晶和体相薄膜更高的激子精细裂分，其中站立排列的纳米片薄膜在5.2K的温度下，能观测到的裂分能量差大约是19.2 meV，远高于文献汇报过的纳米晶的~1 meV。这与纳米片拥有因强量子限域和介电约束效应产生的更大的激子结合能有关，纳米片的激子结合能大约是243 meV，而弱限域纳米晶和体相薄膜中仅为大约20 meV和5 meV.（如图5所示）。
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(2) 高光致发光量子产率（PLQYs），且发光机制主要受到带边激子的辐射复合控制。
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(3) 在薄膜级别保持因强量子和介电约束导致的较大的激子精细结构裂分。
这项工作开启了新的领域研究前沿，为显示技术和光通信等应用提供了更高效的线偏振LED。
Ye, J., Ren, A., Dai, L. et al. Direct linearly polarized electroluminescence from perovskite nanoplatelet superlattices. Nat. Photon. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01398-y
