互联网依靠1.55微米的光运行。这种特定的红外波长位于光纤通信的所谓C波段，是标准石英光纤损耗最低的传输窗口——是承载数据跨越大洲和穿越海洋的通道。因此，在此波长下高效发光是光电子学领域最重要的挑战之一。
现在，苏州大学和澳门科技大学的研究人员展示了一种新方法：一种掺铒钙钛矿量子点薄膜能够自组装成有序超结构，在关键的电信波长实现了创纪录的电致发光效率。该研究成果于7月11日发表在《Nature Communications》上。
“我们的结果表明，在介观尺度上控制量子点的空间排列——而不仅仅是它们的化学成分——是提高器件性能的强大策略，”苏州大学功能纳米与软材料研究所的通讯作者Ya-Kun Wang表示。
随机堆积的问题
铒离子（Er³⁺）长期以来一直被认为在约1.54微米处发光，这是离子4f电子壳层内原子跃迁的产物。将Er³⁺嵌入铯铅氯化物（CsPbCl₃）钙钛矿量子点（纳米级半导体晶体）中，可以产生一种原则上能够在此波长下将电能转化为光能的材料。问题在于如何让量子点高效地做到这一点。
存在两个障碍。首先，传统合成方法会产生尺寸不均的量子点；多分散的纳米晶体无法堆积成有序薄膜。其次，当沉积到器件中时，随机堆积的量子点会形成电荷泄漏路径，并促进非辐射复合——这些过程将能量作为热量浪费掉，而不是产生光。
苏州大学团队用一个巧妙的化学方法同时解决了这两个问题。他们在合成过程中使用肉豆蔻酰氯作为氯离子的缓释源，从而获得了高度均匀、单分散的量子点群体。同时，反应生成的含酰胺分子包裹了量子点表面。这些酰胺基团同时具有氢键供体（N–H）和受体（C=O），使得相邻的量子点能够在薄膜沉积过程中通过定向的N–H···O=C氢键连接在一起。
结果形成了介观尺度的有序组装：立方体量子点面对面堆叠，像整齐堆放的积木块一样，形成了跨越数百纳米到微米的有序阵列。该结构通过苏州纳米技术与纳米仿生研究所的二维掠入射小角X射线散射得到了确认。
创纪录的性能
在LED器件中，有序量子点薄膜在1.55微米处实现了3.75%的外部量子效率和323毫瓦每球面度每平方米的最大辐射亮度——比无序对照薄膜亮约10倍。工作稳定性也显著改善：器件在197分钟（T50寿命）后仍保持初始亮度的50%，比无序对照组长约7倍。
3.75%的EQE是电信波长下Er³⁺掺杂钙钛矿电致发光的一项纪录。作者将这一改进归因于陷阱态（捕获电荷载流子并导致非辐射复合的缺陷）的抑制以及通过有序薄膜改善的电荷传输。
“这是一个概念验证，证明氢键导向组装可以解决量子点薄膜中的基本堆积问题，”共同第一作者Hua-Hui Li表示。”这种组装使我们能够对薄膜结构进行控制，这是传统沉积法根本无法实现的。”
未来展望
这一成果对于溶液加工光子学领域意义重大。钙钛矿量子点因其可以在溶液中合成并以低成本沉积而备受下一代显示和照明技术的青睐。将这一优势扩展到电信波长发射器，最终可能为光纤网络和芯片间互连实现更便宜、更简单的光学发射器。
然而，仍然存在重大障碍。3.75%的EQE尽管是该材料体系的纪录，但与商用III-V族半导体激光器（InGaAsP/InP）相比仍然相形见绌，后者的插头效率可超过50%。197分钟（约3小时）的工作稳定性对于任何实际应用来说都太短了；钙钛矿量子点通常会在氧气、湿气和工作器件内部电场的作用下发生降解。此外，该材料含有铅，这是一种已知的神经毒物，使任何根据欧盟有害物质限制指令及类似法规进行商业化的途径都变得复杂。
尽管如此，这项研究证明了一个长达十年的梦想——从溶液加工纳米晶体实现电驱动铒发光——触手可及，而且关键可能不在于寻找更好的材料，而在于如何排列已有的材料。
来源： Li， H.-H.， Pan， J.-L.， Pan， Y.-Y. 等。”Mesoscale ordered assembly of Er³⁺-doped quantum dots enables efficient 1.55 μm electroluminescence.”《Nature Communications》（2026）. DOI：10.1038/s41467-026-75429-3
婷 翻译