2014年10月，諾貝爾物理學(xué)獎頒給了發(fā)明藍(lán)光發(fā)光二極管的數(shù)位日裔科學(xué)家，“白熾燈點亮了20世紀(jì)，LED點亮了21世紀(jì)”，從頒獎詞看出，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，一篇來自中國科學(xué)家的論文在《自然》上發(fā)表，報道了在量子點發(fā)光二極管領(lǐng)域取得的重要研究進(jìn)展。
我國科學(xué)家設(shè)計出新型量子點發(fā)光二極管
在浙江大學(xué)課題組的這項研究中，科學(xué)家們設(shè)計出一種新型高性能量子點發(fā)光二極管（QLED），并將使用亮度條件下的壽命推進(jìn)到10萬小時的實用水平，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)的有力競爭者。
“我們已經(jīng)看到了第一個帶有顛覆性意義的量子點應(yīng)用，也就是性能優(yōu)異的‘量子點LED’。”研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)高新材料化學(xué)中心教授彭笑剛說。
量子點能大大提高二極管的發(fā)光性能
“發(fā)光材料對人類的重要性，決定了量子點會成為明星材料。”彭笑剛認(rèn)為。
光是能量的一種形式，當(dāng)物質(zhì)中的電子從一個高能級躍遷到一個相對較低的空能級，能量就會被釋放——如果這份能量以光的形式表現(xiàn)出來，就會看到這個物質(zhì)在發(fā)光。
科研人員解釋說，在半導(dǎo)體材料中，如果電子掉進(jìn)空能級的空穴，就會發(fā)出光子，這被稱為“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，電子和空穴在電場作用下發(fā)生遷移，它們在相遇時有可能發(fā)生復(fù)合，但這個過程并不容易。它們要有緣邂逅，發(fā)生相互作用形成“電子—空穴對”，最終才能在適合條件下復(fù)合，發(fā)出幸福的象征——光子。
為了保證一個較高的復(fù)合效率，科研人員常會提供一個復(fù)合介質(zhì)，也就是“發(fā)光材料”。在這類材料里安排電子和空穴“相親”，成功幾率會大大提高。學(xué)名叫“可溶的無機(jī)半導(dǎo)體納米晶”，簡稱為溶液納米晶的量子點，正是非常優(yōu)異的發(fā)光介質(zhì)，只要電子和空穴一對一的進(jìn)入到量子點，就會復(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發(fā)光二極管。同時精巧地設(shè)計了結(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，大大提升了量子點發(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)為的兩個關(guān)鍵問題——要讓量子點發(fā)光二極管達(dá)到現(xiàn)實應(yīng)用水平，一是怎樣量身定制適用于LED的量子點材料；二是怎樣設(shè)計其結(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，究竟是一種什么材料呢？
不同尺寸的量子點，能表現(xiàn)不同的顏色
“量子點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，從此人類有了一類全新的材料，它們具有晶體和溶液的雙重性質(zhì)。從化學(xué)角度講，甚至是一類全新的分子；從材料的前途看，它代表著很多新的可能性。”彭笑剛說。
量子點的大小，大概是一根頭發(fā)絲直徑的十萬分之一，人眼已經(jīng)無法看到。正是在納米尺度，量子點表現(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或十幾個原子。而通過調(diào)整量子點的尺寸，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納米時發(fā)出的是藍(lán)色光，到8納米的尺寸時發(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，我們將會看到不同的顏色，而且色彩非常鮮艷。”參與課題合作的杭州納晶科技公司的趙飛博士說，量子點的名字，也正是來源于半導(dǎo)體納米晶的量子尺寸效應(yīng)。
長期以來，量子點的合成依賴于一些特別活潑的、毒性特別高的物質(zhì)，見到空氣就會爆炸，必須保存在冰箱里。彭笑剛在國外時較早的貢獻(xiàn)在于，找到了一種“綠色”有機(jī)溶劑路線，只要有一個普通的化學(xué)合成實驗室就可以做量子點的簡便合成。之后，又進(jìn)一步系統(tǒng)探索了量子點生長機(jī)理，使得相對高質(zhì)量的量子點的范圍逐步擴(kuò)大到多種類半導(dǎo)體。很快，這條“綠色”路線在全世界推廣。
“最后找到的方法，就是通過理解晶體生長的特殊機(jī)制，用常見的化學(xué)品取代昂貴的不穩(wěn)定原料。科學(xué)就是這么回事，沒找到之前一頭霧水，找到之后覺得挺簡單。”彭笑剛說。
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。“但里面‘有’1萬臺電視機(jī)。”趙飛說，這些量子點，可以用來制造1萬臺使用量子點的新型彩電。
從量子點電視機(jī)播放的演示畫面來看，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，量子點應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，能用量子點把細(xì)胞的骨架完全顯示出來。可以很容易地利用量子點的不同顏色來同時檢測多種病菌或者農(nóng)藥殘留。而且，因為量子點吸收能力非常強(qiáng)，能夠極大提高靈敏度。照明也是一個很大的產(chǎn)業(yè)，使用量子點的發(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，量子點可能帶來重大變化的產(chǎn)業(yè)，首先是顯示。目前的第一代量子點顯示產(chǎn)品是基于光激發(fā)發(fā)光，納晶科技公司和美國的兩家公司都已經(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。而量子點發(fā)光二極管則會把量子點顯示帶入第二代。目前，浙江大學(xué)與納晶科技公司在第二代量子點顯示技術(shù)上處于國際領(lǐng)先地位。
“一系列的實驗結(jié)果驗證了量子點發(fā)光二極管的實用性。這進(jìn)而預(yù)示著，量子點發(fā)光二極管有望在照明與顯示兩個產(chǎn)業(yè)中扮演更重要的角色。”彭笑剛說，顯示和照明都需要白光或者紅綠藍(lán)三色光，研究團(tuán)隊接下來將在保持低成本的溶液制備工藝的前提下，開發(fā)出各色發(fā)光波長的高效QLED，讓電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生的光子為千家萬戶照明。
量子點發(fā)光二極管主要特性：
1.這種技術(shù)中用到的量子點（QuantumDots）是一些肉眼無法看到的、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.量子點由鋅、鎘、硒和硫原子組合而成。
3.量子點有一個與眾不同的特性：當(dāng)受到電或者光（諸如LED產(chǎn)生的光）的刺激時就會發(fā)光，產(chǎn)生亮光和純色，其發(fā)出的光線顏色由量子點的組成材料和大小、形狀所決定。
量子點發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)特點：
1.量子點是一類半導(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)百萬個原子。
2.因體積小，讓內(nèi)部電子在各方向上的運動受到限制，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的組成材料和大小、形狀所決定。由于發(fā)光波長范圍極窄，顏色非常純粹，所以畫面更加明亮。
3.當(dāng)受到電或者光（諸如LED產(chǎn)生的光）的刺激后，量子點中的電子吸收了光子的能量，從穩(wěn)定的低能級躍遷到不穩(wěn)定的高能級，而在穩(wěn)定恢復(fù)時將能量以特定波長的光子放出。
量子點發(fā)光二極管產(chǎn)品性能：
1.量子點發(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）相競爭，制造OLED時，需要使用一個“陰罩”，當(dāng)屏幕尺寸變大時，陰罩板容易發(fā)生熱脹冷縮，會使得色彩等不夠精確。
2.QLED的制造過程不需要使用陰罩，因此不會出現(xiàn)精確度減少的問題。另外量子點還可懸停在液體中，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濾器才能產(chǎn)生，而QLED從一開始就能產(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OLED可以達(dá)到與無機(jī)半導(dǎo)體材料一樣的穩(wěn)定性、可靠性。
量子點發(fā)光二極管研發(fā)現(xiàn)狀：
1.QLED的發(fā)展也面臨著兩個挑戰(zhàn)，其一是壽命短，最好的QLED壽命僅為1萬小時，這對大尺寸顯示屏來說還不夠。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即將開始商業(yè)化生產(chǎn)。
2.QDVision公司將與韓國LG顯示器公司、比利時化學(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)量子點顯示屏技術(shù)的公司，位于美國硅谷的Nanosys公司也在研發(fā)相關(guān)新產(chǎn)品，其產(chǎn)品中的一個液晶顯示屏背光燈上有很多量子點，以提高能效和色質(zhì)。
量子點發(fā)光二極管成功制備：
1.中國科技部973項目和國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體和重點項目的支持下，中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點實驗室的科研人員與美國OceanNanoTech公司以及美國賓州州立大學(xué)合作，在半導(dǎo)體量子點發(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，同時使用聚三苯胺(poly-TPD)為空穴傳輸層、八羥基喹啉鋁(Alq3)為電子傳輸層，通過調(diào)節(jié)量子點尺寸以及通過器件結(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)報道的最高值。同時，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)和較長的工作壽命。
3.QD-LED具有與聚合物發(fā)光二極管(PLED)類似的器件結(jié)構(gòu)和可溶液加工的特點，其發(fā)光層由半導(dǎo)體量子點(QDs)膠體溶液旋涂制成，因而具有與PLED同樣的制備過程簡單、成本低、可制成柔性器件等優(yōu)點。同時，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)光顏色可通過控制量子點尺寸大小進(jìn)行調(diào)節(jié)等突出優(yōu)點。除此之外，QD-LED還是半導(dǎo)體納晶的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。因此對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。
