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量子点LED的发展现状及面临的挑战

来源:中国科学报 发布日期:2014-12-26 09:55:11 查看次数:
【九正建材网】 量子点可以应用在生物医疗领域。我们能用量子点把细胞的骨架完全显示出来。与其它种类的检测手段相比,量子点发光材料做检测肯定是有优势的。我们可以很容易地利用量子点的不同颜色来同时检测多种病菌或者农药残留。而且,因为量子点吸收能力非常大,能够大大

量子点属于一大类新材料—溶液纳米晶中的一种。溶液纳米晶具有晶体和溶液的双重性质,量子点是其中马上具有突破性工业应用的材料。

与其他纳米晶材料不同,量子点是以半导体晶体为基础的。尺寸在1~100纳米之间,每一个粒子都是单晶。量子点的名字,来源于半导体纳米晶的量子限域效应,或者量子尺寸效应。当半导体晶体小到纳米尺度(1纳米大约等于头发丝宽度的万分之一),不同的尺寸就可以发出不同颜色的光。比如硒化镉这种半导体纳米晶,在2纳米时发出的是蓝色光,到8纳米的尺寸时发出的就是红色光,中间的尺寸则呈现绿色黄色橙色等等。量子点的化学成分,发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区,而且色纯度高、连续可调。

量子点可以应用在生物医疗领域。我们能用量子点把细胞的骨架完全显示出来。与其它种类的检测手段相比,量子点发光材料做检测肯定是有优势的。我们可以很容易地利用量子点的不同颜色来同时检测多种病菌或者农药残留。而且,因为量子点吸收能力非常大,能够大大提高灵敏度。

量子点也能应用于照明产业。目前照明消耗的能量大致相当于电能的20%。但人造光源的光效率是很低的。例如,照明质量高的白炽灯,光效只有2%。如果能把效率提高到20%,就意味着能节省能源消耗的20%。美国能源部的固态照明路线图写了一段话:量子点在人类照明领域将起到重要作用。

另外,还有显示产业。目前的第一代量子点显示设备,是氮化镓LED与量子点结合的背光源产品,纳晶公司和美国两家高科技公司都已经进入商业化阶段。这种新型的背光源,让显示颜色的纯度、色饱和度很高,是其它显示技术难以企及的。据我所知,国内一家大型电视机厂家将会在今年年底或者明年年初推出这种新型的彩色电视

从发端到热潮

量子点领域的发端,大约在70年代末。当时,西方国家的化学家受石油危机的影响,想寻找新一代能利用太阳能的光催化和光电转换系统。借鉴半导体太阳能电池的原理,化学家们开始尝试着在溶液中制备半导体小晶体,并研究它们的光电性质。有代表性的人物,包括美国的BARD和BRUS、前苏联的Ekimov、德国的HENGLEIN等。

在实验室里,研究人员发现了一个非常奇怪的现象。比如,硫化铅的大块单晶总是大家熟悉的黑色,但是,化学家在溶液中做出来的纳米晶体颜色各不一样,有的黄、有的红、有的黑,有的甚至没有颜色。到底发生了什么奇怪的事情?

最后,美国科学家BRUS、前苏联的E-FROS给出了一个漂亮的解释,这就是“量子限域效应”理论。他们俩的文章发表时间有些不同,但由于前苏联的隔离,彼此并不知道对方的工作。

目前为止,这个领域还是化学家在起主导作用,合成出性能达到要求的量子点还是该领域最关键的事情。1990年以前,合成方法都是基于传统的制备胶体小粒子的化学方法,例如共沉淀、微乳液、胶束等。这些方法能够在一定程度上把尺寸控制在要求的范围内,但光学性能非常差,基本上不发光。

量子点研究在1990年到1993年之间发生了一件非常重要的事情,出现了一种新的合成方法,叫“金属有机-配位溶剂-高温”路线,这个方法最早在贝尔实验室被发明,它以具有高毒性、非常不稳定的二甲基镉作为镉源,在高温(300摄氏度左右)、有机配位溶剂中合成高质量硒化镉。这对于整个领域具有里程碑式意义。但是,这同时也给领域留下来一个挑战。他们用的原料,是从“金属有机气相沉积”借鉴而来,其中的二甲基镉是爆炸性的,即使是室温也不稳定,而且毒性很大,成本很高。这些因素,导致在后来10年间,这个领域发展并不快,而且只能做一种材料。

后来我到了阿肯色大学,我们找到了一种“绿色”有机溶剂路线,它让量子点的简便合成走进了全世界的实验室。只要有一个普通的化学合成实验室就可以做,在中国也可以做。接下来,我们系统探索了量子点生长机理,使得相对高质量的量子点的范围也逐步扩大到其它种类半导体。由于这些原因,这条“绿色”路线很快在全世界推广,包括工业界和学术界。

我认为,科学研究分两类,分别是“前瞻性探索”和“系统性攻关”。上述贝尔实验室1990年的工作,就是典型的前瞻性探索,我们实验室在本世纪的工作则更接近系统性攻关。科学研究面对的未知世界、不像考试一样有标准答案。因此,我们既不能否定前瞻性探索、也不应该看不起系统性攻关。目前中国科学研究有过于看重前者的倾向,对科学热点过于关注。

颠覆性进展

回到浙江大学后,我慢慢认识到量子点合成化学真正的核心问题是激发态控制。这是因为,作为发光材料,其性能的实现只能在激发态。而对于传统的合成化学,化学家只关心基态。基于这个新认识,我们采用了一些新的合成控制方法。由此,我们得到了一些性能前所未有的量子点。

以这些新型量子点为基础,通过与浙大材料系金一政副教授小组和纳晶科技公司合作,我们已经看到了第一个带有颠覆性意义的量子点应用。那就是性能优异的量子点LED(QLED)。在申请了专利后,我们把相关的第一篇文章投给了Natue杂志。已经在线发表。

发光二极管(LED)正在改变我们的生活,在照明和显示领域的节能效果已经得到公认,这就是今年诺贝尔物理奖(氮化镓蓝光LED)的基础。氮化镓蓝光LED已经大面积量产,相关知识产权被日本、美国、欧洲公司牢牢控制了。但是,氮化镓蓝光LED的技术,是基于在蓝宝石单晶衬底上外延生长多层半导体单晶,要求高真空设备、超高纯度原料、制备过程能量消耗大。因此,其基础成本大。

如果量子点合成达到了LED光电性能的要求,那么,量子点LED有望结合氮化镓LED和OLED两者的优势。我们近期的这个工作,证实了这个设想。Nature的审稿人给出了几个指标,让我们与OLED和其它溶液加工LED做一个横向比较。结果表明,尽管我们的QLED是在相对简陋的条件下用溶液法制备的,但我们的器件几乎全面胜出。

LED也是照明产业的核心器件。但是和太阳光比较,现在的白光LED灯是有缺陷的,它是人造白光,有很多的高能光子。高能光子对人类健康的影响,已经有一些医学证据表明是不利的。另外,现行白光LED发热比较明显,这也不是好消息。QLED的白光,在原理可以完全做到与理想照明光源一致,更加接近于自然光,并且发热大大减少。我们最近工作的进展表明,有一天量子点LED将为照明产业做出贡献。量子点这个领域,目前已经发展到了需要高深、更系统、更集成(或者更交叉)的水平。我们的QLED技术,目前处于国际领先地位、并确立了自己的知识产权。但是,来自MIT(QDVision)、SAMSUMG等方面的竞争是不容小视的。

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