中國科學(xué)家設(shè)計(jì)出新型量子點(diǎn)發(fā)光二極管

本文載自人民日報(bào)

去年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，一篇來自中國科學(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。

中國科學(xué)家設(shè)計(jì)出新型量子點(diǎn)發(fā)光二極管

看不到的量子點(diǎn)，為你發(fā)光

在浙江大學(xué)課題組的這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們設(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)的有力競爭者。

“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。

量子點(diǎn)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(diǎn)會(huì)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(gè)高能級躍遷到一個(gè)相對較低的空能級，能量就會(huì)被釋放——如果這份能量以光的形式表現(xiàn)出來，就會(huì)看到這個(gè)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(huì)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(shí)，電子和空穴在電場作用下發(fā)生遷移，它們在相遇時(shí)有可能發(fā)生復(fù)合，但這個(gè)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(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“可溶的無機(jī)半導(dǎo)體納米晶”，簡稱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(diǎn)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(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。”參與課題合作的杭州納晶科技公司的趙飛博士說，量子點(diǎn)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(diǎn)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(huì)爆炸，必須保存在冰箱里。彭笑剛在國外時(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)的簡便合成。之后，又進(jìn)一步系統(tǒng)探索了量子點(diǎn)生長機(jī)理，使得相對高質(zhì)量的量子點(diǎn)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(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)。“但里面‘有’1萬臺(tái)電視機(jī)。”趙飛說，這些量子點(diǎn)，可以用來制造1萬臺(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(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。可以很容易地利用量子點(diǎn)的不同顏色來同時(shí)檢測多種病菌或者農(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。”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(duì)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。