近日，我院申怀彬教授团队与中国科学技术大学樊逢佳教授团队合作，在量子点发光二极管领域取得重要进展。其研究成果以Research Article形式发表于 Nature Photonics（题为“Crystalline symmetry breaking enables directional light emission in quantum dots”），文章链接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01935-x）。

操控发光方向性对于实现高光提取效率和强光-物质相互作用至关重要，而这是高性能发光二极管（LED）、单光子源和激光器的必要条件。荧光材料的发光方向性通常取决于各向异性的电子结构或介电环境，需要至少在原子排列、晶体结构、颗粒形貌等某一方面具有不对称性。以往研究者报道了多种定向发光材料，如平面有机分子和准球形纤锌矿（或以纤锌矿为主）纳米晶，这类材料具有本征各向异性的原子排列或晶体结构；此外，棒状和片状纳米晶以及层状卤化物钙钛矿则表现出各向异性的几何形状。

然而，球形或准球形的闪锌矿III-V族和II-VI族量子点，因其高度对称的T_d点群，既不具备各向异性的形状，也没有各向异性的晶体结构，从而被一致认为无法沿特定方向优先发射光子。而用于LED的环保型量子点，尤其是InP和ZnSe等量子点往往优先生长为闪锌矿结构。因此，解决闪锌矿结构量子点发光方向问题，对蓝绿色量子点LED效率和稳定性提升至关重要。

在本工作中，研究团队首次通过理论分析和密度泛函理论计算证明，引入堆垛层错能够打破闪锌矿量子点的高晶体对称性（T_d→C_3v），改变最高占据分子轨道（HOMO）波函数对称性，促使跃迁偶极子从各向同性转变为面内择优取向，使得闪锌矿量子点的定向光发射成为可能。

图1. 堆垛层错对闪锌矿量子点带边态波函数对称性和光子发射分布的影响

在材料制备方面，通过精细量子点设计调控，制备出无堆垛层错的CdSe/CdS和有堆垛层错的CdZnSe/ZnSe/ZnS闪锌矿量子点。单粒子离焦成像技术证明，无堆垛层错的量子点展现出各向同性发射，而含堆垛层错的CdZnSe基量子点则表现出明显的定向发光特征。因此，我们在理论和实验上证明了堆垛层错可以改变了闪锌矿量子点的HOMO对称性，从而使单个闪锌矿量子点能够产生定向光发射。

图2. 有/无堆垛层错的闪锌矿量子点的单粒子离焦成像图样

进一步，赤道区域非极性晶面的高配体覆盖产生的强范德华力驱动量子点自组装排列，使得CdZnSe和InP量子点薄膜的面内偶极占比分别高达81.0%和73.9%。

图3. 配体诱导的自组装机制与薄膜取向表征

基于堆垛层错CdZnSe和InP闪锌矿量子点所构筑的绿色量子点LED器件展现出超高性能，外量子效率分别达到了34.3%（CdZnSe）和31.0%（InP），超越传统各向同性发射体理论极限，同时器件具有优异的运行稳定性。

图4. 高效率绿光量子点LED性能表征

本工作首次在准球形闪锌矿量子点体系中实现了高效定向发光，提出了堆垛层错调控量子点激子精细结构与光辐射取向的创新策略，突破了高对称闪锌矿量子点无法实现定向发光的固有认知，为高效蓝绿色量子点LED设计及相关量子点光电器件发展提供了新思路。

河南大学纳米科学与材料工程学院申怀彬教授、曾在平教授、王垒副教授与中国科学技术大学樊逢佳教授为论文的共同通讯作者，中国科学技术大学博士后徐淮豫、博士研究生谢盈为论文共同第一作者。本工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部、河南省科技厅和河南大学的大力支持。