2014年10月，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了發(fā)明藍(lán)光發(fā)光二極管的數(shù)位日裔科學(xué)家，“白熾燈點(diǎn)亮了20世紀(jì)，LED點(diǎn)亮了21世紀(jì)”，從頒獎(jiǎng)詞看出，發(fā)光二極管即LED是公認(rèn)的下一代顯示與照明技術(shù)的核心器件。幾十天后，一篇來(lái)自中國(guó)科學(xué)家的論文在《自然》上發(fā)表，報(bào)道了在量子點(diǎn)發(fā)光二極管領(lǐng)域取得的重要研究進(jìn)展。
我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出新型量子點(diǎn)發(fā)光二極管
在浙江大學(xué)課題組的這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出一種新型高性能量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED），并將使用亮度條件下的壽命推進(jìn)到10萬(wàn)小時(shí)的實(shí)用水平，這意味著這種新型器件有望成為下一代顯示和照明技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。
“我們已經(jīng)看到了第一個(gè)帶有顛覆性意義的量子點(diǎn)應(yīng)用，也就是性能優(yōu)異的‘量子點(diǎn)LED’。”研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)高新材料化學(xué)中心教授彭笑剛說(shuō)。
量子點(diǎn)能大大提高二極管的發(fā)光性能
“發(fā)光材料對(duì)人類(lèi)的重要性，決定了量子點(diǎn)會(huì)成為明星材料?！迸硇傉J(rèn)為。
光是能量的一種形式，當(dāng)物質(zhì)中的電子從一個(gè)高能級(jí)躍遷到一個(gè)相對(duì)較低的空能級(jí)，能量就會(huì)被釋放——如果這份能量以光的形式表現(xiàn)出來(lái)，就會(huì)看到這個(gè)物質(zhì)在發(fā)光。
科研人員解釋說(shuō)，在半導(dǎo)體材料中，如果電子掉進(jìn)空能級(jí)的空穴，就會(huì)發(fā)出光子，這被稱(chēng)為“電子空穴復(fù)合”。然而，能復(fù)合的電子和空穴在物質(zhì)中并不是常存在的，復(fù)合過(guò)程需要電激發(fā)或光激發(fā)。發(fā)光二極管就是電激發(fā)的發(fā)光器件。
發(fā)光二極管通電時(shí)，電子和空穴在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移，它們?cè)谙嘤鰰r(shí)有可能發(fā)生復(fù)合，但這個(gè)過(guò)程并不容易。它們要有緣邂逅，發(fā)生相互作用形成“電子—空穴對(duì)”，最終才能在適合條件下復(fù)合，發(fā)出幸福的象征——光子。
為了保證一個(gè)較高的復(fù)合效率，科研人員常會(huì)提供一個(gè)復(fù)合介質(zhì)，也就是“發(fā)光材料”。在這類(lèi)材料里安排電子和空穴“相親”，成功幾率會(huì)大大提高。學(xué)名叫“可溶的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶”，簡(jiǎn)稱(chēng)為溶液納米晶的量子點(diǎn)，正是非常優(yōu)異的發(fā)光介質(zhì)，只要電子和空穴一對(duì)一的進(jìn)入到量子點(diǎn)，就會(huì)復(fù)合發(fā)光，發(fā)光量子效率可以高達(dá)100%。
彭笑剛課題組正是合成了一種適合于LED的量子點(diǎn)發(fā)光材料，然后與浙江大學(xué)金一政課題組合作做成了新型的量子點(diǎn)發(fā)光二極管。同時(shí)精巧地設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)，讓電子減緩“步伐”，空穴則加快腳步，促成電子與空穴的有效相會(huì)，大大提升了量子點(diǎn)發(fā)光二極管的高效率發(fā)光性能和穩(wěn)定性。
這也恰恰解決了彭笑剛所認(rèn)為的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——要讓量子點(diǎn)發(fā)光二極管達(dá)到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用水平，一是怎樣量身定制適用于LED的量子點(diǎn)材料；二是怎樣設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最大的電光轉(zhuǎn)換效率。
至關(guān)重要的量子點(diǎn)，究竟是一種什么材料呢？
不同尺寸的量子點(diǎn)，能表現(xiàn)不同的顏色
“量子點(diǎn)是一種納米尺寸的半導(dǎo)體晶體，它的三維尺寸都在100納米以下。把它們放入溶液，從此人類(lèi)有了一類(lèi)全新的材料，它們具有晶體和溶液的雙重性質(zhì)。從化學(xué)角度講，甚至是一類(lèi)全新的分子；從材料的前途看，它代表著很多新的可能性?！迸硇傉f(shuō)。
量子點(diǎn)的大小，大概是一根頭發(fā)絲直徑的十萬(wàn)分之一，人眼已經(jīng)無(wú)法看到。正是在納米尺度，量子點(diǎn)表現(xiàn)出了量子效應(yīng)——當(dāng)這些半導(dǎo)體晶體做到小到納米尺度，不同的尺寸就可以發(fā)出不同顏色的光，即使是尺寸相差幾個(gè)或十幾個(gè)原子。而通過(guò)調(diào)整量子點(diǎn)的尺寸，就能得到所需顏色的光。比如硒化鎘這種半導(dǎo)體納米晶，在2納米時(shí)發(fā)出的是藍(lán)色光，到8納米的尺寸時(shí)發(fā)出的就是紅色光，中間的尺寸呈現(xiàn)綠色黃色橙色等。
“使用不同尺寸的量子點(diǎn)，我們將會(huì)看到不同的顏色，而且色彩非常鮮艷?！眳⑴c課題合作的杭州納晶科技公司的趙飛博士說(shuō)，量子點(diǎn)的名字，也正是來(lái)源于半導(dǎo)體納米晶的量子尺寸效應(yīng)。
長(zhǎng)期以來(lái)，量子點(diǎn)的合成依賴(lài)于一些特別活潑的、毒性特別高的物質(zhì)，見(jiàn)到空氣就會(huì)爆炸，必須保存在冰箱里。彭笑剛在國(guó)外時(shí)較早的貢獻(xiàn)在于，找到了一種“綠色”有機(jī)溶劑路線，只要有一個(gè)普通的化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室就可以做量子點(diǎn)的簡(jiǎn)便合成。之后，又進(jìn)一步系統(tǒng)探索了量子點(diǎn)生長(zhǎng)機(jī)理，使得相對(duì)高質(zhì)量的量子點(diǎn)的范圍逐步擴(kuò)大到多種類(lèi)半導(dǎo)體。很快，這條“綠色”路線在全世界推廣。
“最后找到的方法，就是通過(guò)理解晶體生長(zhǎng)的特殊機(jī)制，用常見(jiàn)的化學(xué)品取代昂貴的不穩(wěn)定原料。科學(xué)就是這么回事，沒(méi)找到之前一頭霧水，找到之后覺(jué)得挺簡(jiǎn)單。”彭笑剛說(shuō)。
有望在照明與顯示產(chǎn)業(yè)中扮演重要角色
在納晶科技公司，幾支試管和幾個(gè)或大或小的塑料瓶中，分別裝有綠、黃、紅各色液體，這就是量子點(diǎn)溶液。把一桶2000毫升的溶液提純后，晶體大概只有手指頭那么點(diǎn)?！暗锩妗小?萬(wàn)臺(tái)電視機(jī)?！壁w飛說(shuō)，這些量子點(diǎn)，可以用來(lái)制造1萬(wàn)臺(tái)使用量子點(diǎn)的新型彩電。
從量子點(diǎn)電視機(jī)播放的演示畫(huà)面來(lái)看，同樣是藍(lán)色或紅色，可以分辨出很多不同的鮮艷程度。同樣是紅色唇膏，畫(huà)面上卻能夠呈現(xiàn)和分辨出不同色差的100支唇膏。
彭笑剛介紹說(shuō)，量子點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，能用量子點(diǎn)把細(xì)胞的骨架完全顯示出來(lái)?？梢院苋菀椎乩昧孔狱c(diǎn)的不同顏色來(lái)同時(shí)檢測(cè)多種病菌或者農(nóng)藥殘留。而且，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)吸收能力非常強(qiáng)，能夠極大提高靈敏度。照明也是一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)，使用量子點(diǎn)的發(fā)光二極管，更加接近于自然光，并且發(fā)熱大大減少。
科學(xué)家認(rèn)為，量子點(diǎn)可能帶來(lái)重大變化的產(chǎn)業(yè)，首先是顯示。目前的第一代量子點(diǎn)顯示產(chǎn)品是基于光激發(fā)發(fā)光，納晶科技公司和美國(guó)的兩家公司都已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段。這種新型的背光源，讓顯示顏色的純度很高、色飽和高。而量子點(diǎn)發(fā)光二極管則會(huì)把量子點(diǎn)顯示帶入第二代。目前，浙江大學(xué)與納晶科技公司在第二代量子點(diǎn)顯示技術(shù)上處于國(guó)際領(lǐng)先地位。
“一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了量子點(diǎn)發(fā)光二極管的實(shí)用性。這進(jìn)而預(yù)示著，量子點(diǎn)發(fā)光二極管有望在照明與顯示兩個(gè)產(chǎn)業(yè)中扮演更重要的角色?！迸硇傉f(shuō)，顯示和照明都需要白光或者紅綠藍(lán)三色光，研究團(tuán)隊(duì)接下來(lái)將在保持低成本的溶液制備工藝的前提下，開(kāi)發(fā)出各色發(fā)光波長(zhǎng)的高效QLED，讓電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生的光子為千家萬(wàn)戶(hù)照明。
量子點(diǎn)發(fā)光二極管主要特性：
1.這種技術(shù)中用到的量子點(diǎn)（QuantumDots）是一些肉眼無(wú)法看到的、極其微小的半導(dǎo)體納米晶體，晶體中的顆粒直徑不足10納米。
2.量子點(diǎn)由鋅、鎘、硒和硫原子組合而成。
3.量子點(diǎn)有一個(gè)與眾不同的特性：當(dāng)受到電或者光（諸如LED產(chǎn)生的光）的刺激時(shí)就會(huì)發(fā)光，產(chǎn)生亮光和純色，其發(fā)出的光線顏色由量子點(diǎn)的組成材料和大小、形狀所決定。
量子點(diǎn)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
1.量子點(diǎn)是一類(lèi)半導(dǎo)體納米晶體。以砷化鎵，硒化鎘等半導(dǎo)材料為核，外面包裹另一種半導(dǎo)材料而形成微小顆粒，其中顆粒直徑有幾納米至數(shù)十納米，包含幾十至數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子。
2.因體積小，讓內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)受到限制，所以量子限域效應(yīng)特別顯著，也讓它能發(fā)出特定顏色的熒光。其發(fā)出的光線顏色由量子點(diǎn)的組成材料和大小、形狀所決定。由于發(fā)光波長(zhǎng)范圍極窄，顏色非常純粹，所以畫(huà)面更加明亮。
3.當(dāng)受到電或者光（諸如LED產(chǎn)生的光）的刺激后，量子點(diǎn)中的電子吸收了光子的能量，從穩(wěn)定的低能級(jí)躍遷到不穩(wěn)定的高能級(jí)，而在穩(wěn)定恢復(fù)時(shí)將能量以特定波長(zhǎng)的光子放出。
量子點(diǎn)發(fā)光二極管產(chǎn)品性能：
1.量子點(diǎn)發(fā)光二極管產(chǎn)品能夠進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)并能同有機(jī)發(fā)光顯示屏（OLED）相競(jìng)爭(zhēng)，制造OLED時(shí)，需要使用一個(gè)“陰罩”，當(dāng)屏幕尺寸變大時(shí)，陰罩板容易發(fā)生熱脹冷縮，會(huì)使得色彩等不夠精確。
2.QLED的制造過(guò)程不需要使用陰罩，因此不會(huì)出現(xiàn)精確度減少的問(wèn)題。另外量子點(diǎn)還可懸停在液體中，并使用多種技術(shù)讓其沉積，包括將其噴墨打印在非常薄的、柔性或者透明的襯底上。
3.OLED還有一處不足其純色需用彩色過(guò)濾器才能產(chǎn)生，而QLED從一開(kāi)始就能產(chǎn)生各種不同純色，也在將電子轉(zhuǎn)化為光子方面優(yōu)于OLED，因此能效更高，制造成本更低。
4.在同等畫(huà)質(zhì)下，QLED的節(jié)能性有望達(dá)到OLED屏的2倍，發(fā)光率將提升30%至40%。同時(shí)OLED可以達(dá)到與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料一樣的穩(wěn)定性、可靠性。
量子點(diǎn)發(fā)光二極管研發(fā)現(xiàn)狀：
1.QLED的發(fā)展也面臨著兩個(gè)挑戰(zhàn)，其一是壽命短，最好的QLED壽命僅為1萬(wàn)小時(shí)，這對(duì)大尺寸顯示屏來(lái)說(shuō)還不夠。其二是需要確保色彩能始終如一地再現(xiàn)。沙利文表示該公司已經(jīng)在這兩方面取得了很大進(jìn)步，QLED即將開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)。
2.QDVision公司將與韓國(guó)LG顯示器公司、比利時(shí)化學(xué)品公司Solvay合作，研發(fā)和制造這種新的QLED有源矩陣顯示屏。QDVision公司將提供量子點(diǎn)技術(shù)，而LG則負(fù)責(zé)產(chǎn)品生產(chǎn)。
3.QDVision并非唯一一家研發(fā)量子點(diǎn)顯示屏技術(shù)的公司，位于美國(guó)硅谷的Nanosys公司也在研發(fā)相關(guān)新產(chǎn)品，其產(chǎn)品中的一個(gè)液晶顯示屏背光燈上有很多量子點(diǎn)，以提高能效和色質(zhì)。
量子點(diǎn)發(fā)光二極管成功制備：
1.中國(guó)科技部973項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體和重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員與美國(guó)OceanNanoTech公司以及美國(guó)賓州州立大學(xué)合作，在半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光二極管(QD-LED)的研究方面取得重要進(jìn)展。
2.化學(xué)所有機(jī)固體室的研究人員使用美國(guó)OceanNanoTech公司制備的高質(zhì)量的具有核殼結(jié)構(gòu)的CdSe/ZnS和CdSe/CdS/ZnS納晶量子點(diǎn)，同時(shí)使用聚三苯胺(poly-TPD)為空穴傳輸層、八羥基喹啉鋁(Alq3)為電子傳輸層，通過(guò)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)尺寸以及通過(guò)器件結(jié)構(gòu)和各層厚度的優(yōu)化，制備了可發(fā)紅、橙、黃、綠四種顏色光的QD-LED器件，其最大亮度分別達(dá)到9064(紅光)、3200(橙光)、4470(黃光)和3700(綠光)cd/m2，分別為各色光QD-LED文獻(xiàn)報(bào)道的最高值。同時(shí)，這些QD-LEDs還具有較低的啟亮電壓(3-4V)、改進(jìn)的效率(1.1-2.8cd/A)、高的色純度(電致發(fā)光譜半峰寬30nm左右)和較長(zhǎng)的工作壽命。
3.QD-LED具有與聚合物發(fā)光二極管(PLED)類(lèi)似的器件結(jié)構(gòu)和可溶液加工的特點(diǎn)，其發(fā)光層由半導(dǎo)體量子點(diǎn)(QDs)膠體溶液旋涂制成，因而具有與PLED同樣的制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、可制成柔性器件等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，QD-LED與PLED相比，還具有發(fā)光色純度高(發(fā)光半峰寬窄)、發(fā)光顏色可通過(guò)控制量子點(diǎn)尺寸大小進(jìn)行調(diào)節(jié)等突出優(yōu)點(diǎn)。除此之外，QD-LED還是半導(dǎo)體納晶的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。因此對(duì)QD-LED的研究引起了薄膜電致發(fā)光器件和半導(dǎo)體納晶研究工作者的極大關(guān)注。
