2014年10月，諾貝爾物理學獎頒給了發明藍光發光二極管的數位日裔科學家，“白熾燈點亮了20世紀，LED點亮了21世紀”，從頒獎詞看出，發光二極管即LED是公認的下一代顯示與照明技術的核心器件。幾十天后，一篇來自中國科學家的論文在《自然》上發表，報道了在量子點發光二極管領域取得的重要研究進展。

　　我國科學家設計出新型量子點發光二極管

　　在浙江大學課題組的這項研究中，科學家們設計出一種新型高性能量子點發光二極管（QLED），并將使用亮度條件下的壽命推進到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的有力競爭者。

　　“我們已經看到了第一個帶有顛覆性意義的量子點應用，也就是性能優異的‘量子點LED’?！毖芯繄F隊負責人、浙江大學高新材料化學中心教授彭笑剛說。

　　量子點能大大提高二極管的發光性能

　　“發光材料對人類的重要性，決定了量子點會成為明星材料?！迸硇傉J為。

　　光是能量的一種形式，當物質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出來，就會看到這個物質在發光。

　　科研人員解釋說，在半導體材料中，如果電子掉進空能級的空穴，就會發出光子，這被稱為“電子空穴復合”。然而，能復合的電子和空穴在物質中并不是常存在的，復合過程需要電激發或光激發。發光二極管就是電激發的發光器件。

　　發光二極管通電時，電子和空穴在電場作用下發生遷移，它們在相遇時有可能發生復合，但這個過程并不容易。它們要有緣邂逅，發生相互作用形成“電子—空穴對”，最終才能在適合條件下復合，發出幸福的象征——光子。

　　為了保證一個較高的復合效率，科研人員常會提供一個復合介質，也就是“發光材料”。在這類材料里安排電子和空穴“相親”，成功幾率會大大提高。學名叫“可溶的無機半導體納米晶”，簡稱為溶液納米晶的量子點，正是非常優異的發光介質，只要電子和空穴一對一的進入到量子點，就會復合發光，發光量子效率可以高達100%。

　　彭笑剛課題組正是合成了一種適合于LED的量子點發光材料，然后與浙江大學金一政課題組合作做成了新型的量子點發光二極管。同時精巧地設計了結構，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光二極管的高效率發光性能和穩定性。

　　這也恰恰解決了彭笑剛所認為的兩個關鍵問題——要讓量子點發光二極管達到現實應用水平，一是怎樣量身定制適用于LED的量子點材料；二是怎樣設計其結構，以達到最大的電光轉換效率。

　　至關重要的量子點，究竟是一種什么材料呢？

不同尺寸的量子點，能表現不同的顏色

　　“量子點是一種納米尺寸的半導體晶體，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。從化學角度講，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?！迸硇傉f。

　　量子點的大小，大概是一根頭發絲直徑的十萬分之一，人眼已經無法看到。正是在納米尺度，量子點表現出了量子效應——當這些半導體晶體做到小到納米尺度，不同的尺寸就可以發出不同顏色的光，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體納米晶，在2納米時發出的是藍色光，到8納米的尺寸時發出的就是紅色光，中間的尺寸呈現綠色黃色橙色等。

　　“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?！眳⑴c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，也正是來源于半導體納米晶的量子尺寸效應。

　　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，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在于，找到了一種“綠色”有機溶劑路線，只要有一個普通的化學合成實驗室就可以做量子點的簡便合成。之后，又進一步系統探索了量子點生長機理，使得相對高質量的量子點的范圍逐步擴大到多種類半導體。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制，用常見的化學品取代昂貴的不穩定原料?？茖W就是這么回事，沒找到之前一頭霧水，找到之后覺得挺簡單?！迸硇傉f。

　　有望在照明與顯示產業中扮演重要角色

　　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?！暗锩妗小?萬臺電視機。”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。

　　從量子點電視機播放的演示畫面來看，同樣是藍色或紅色，可以分辨出很多不同的鮮艷程度。同樣是紅色唇膏，畫面上卻能夠呈現和分辨出不同色差的100支唇膏。

　　彭笑剛介紹說，量子點應用領域十分廣泛。在生物醫療領域，能用量子點把細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藥殘留。而且，因為量子點吸收能力非常強，能夠極大提高靈敏度。照明也是一個很大的產業，使用量子點的發光二極管，更加接近于自然光，并且發熱大大減少。

　　科學家認為，量子點可能帶來重大變化的產業，首先是顯示。目前的第一代量子點顯示產品是基于光激發發光，納晶科技公司和美國的兩家公司都已經進入商業化階段。這種新型的背光源，讓顯示顏色的純度很高、色飽和高。而量子點發光二極管則會把量子點顯示帶入第二代。目前，浙江大學與納晶科技公司在第二代量子點顯示技術上處于國際領先地位。

　　“一系列的實驗結果驗證了量子點發光二極管的實用性。這進而預示著，量子點發光二極管有望在照明與顯示兩個產業中扮演更重要的角色?！迸硇傉f，顯示和照明都需要白光或者紅綠藍三色光，研究團隊接下來將在保持低成本的溶液制備工藝的前提下，開發出各色發光波長的高效QLED，讓電子和空穴復合產生的光子為千家萬戶照明。

量子點發光二極管主要特性：

　　1.這種技術中用到的量子點（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：當受到電或者光（諸如LED產生的光）的刺激時就會發光，產生亮光和純色，其發出的光線顏色由量子點的組成材料和大小、形狀所決定。

　　量子點發光二極管結構特點：

　　1.量子點是一類半導體納米晶體。以砷化鎵，硒化鎘等半導材料為核，外面包裹另一種半導材料而形成微小顆粒，其中顆粒直徑有幾納米至數十納米，包含幾十至數百萬個原子。

　　2.因體積小，讓內部電子在各方向上的運動受到限制，所以量子限域效應特別顯著，也讓它能發出特定顏色的熒光。其發出的光線顏色由量子點的組成材料和大小、形狀所決定。由于發光波長范圍極窄，顏色非常純粹，所以畫面更加明亮。

　　3.當受到電或者光（諸如LED產生的光）的刺激后，量子點中的電子吸收了光子的能量，從穩定的低能級躍遷到不穩定的高能級，而在穩定恢復時將能量以特定波長的光子放出。

　　量子點發光二極管產品性能：

　　1.量子點發光二極管產品能夠進行商業化生產并能同有機發光顯示屏（OLED）相競爭，制造OLED時，需要使用一個“陰罩”，當屏幕尺寸變大時，陰罩板容易發生熱脹冷縮，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生，而QLED從一開始就能產生各種不同純色，也在將電子轉化為光子方面優于OLED，因此能效更高，制造成本更低。

　　4.在同等畫質下，QLED的節能性有望達到OLED屏的2倍，發光率將提升30%至40%。同時OLED可以達到與無機半導體材料一樣的穩定性、可靠性。

量子點發光二極管研發現狀：

　　1.QLED的發展也面臨著兩個挑戰，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。沙利文表示該公司已經在這兩方面取得了很大進步，QLED即將開始商業化生產。

　　2.QDVision公司將與韓國LG顯示器公司、比利時化學品公司Solvay合作，研發和制造這種新的QLED有源矩陣顯示屏。QDVision公司將提供量子點技術，而LG則負責產品生產。

　　3.QDVision并非唯一一家研發量子點顯示屏技術的公司，位于美國硅谷的Nanosys公司也在研發相關新產品，其產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。

　　量子點發光二極管成功制備：

　　1.中國科技部973項目和國家自然科學基金委創新群體和重點項目的支持下，中科院化學所有機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合作，在半導體量子點發光二極管(QD-LED)的研究方面取得重要進展。

　　2.化學所有機固體室的研究人員使用美國OceanNanoTech公司制備的高質量的具有核殼結構的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，通過調節量子點尺寸以及通過器件結構和各層厚度的優化，制備了可發紅、橙、黃、綠四種顏色光的QD-LED器件，其最大亮度分別達到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)、改進的效率(1.1-2.8cd/A)、高的色純度(電致發光譜半峰寬30nm左右)和較長的工作壽命。

　　3.QD-LED具有與聚合物發光二極管(PLED)類似的器件結構和可溶液加工的特點，其發光層由半導體量子點(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點。同時，QD-LED與PLED相比，還具有發光色純度高(發光半峰寬窄)、發光顏色可通過控制量子點尺寸大小進行調節等突出優點。除此之外，QD-LED還是半導體納晶的一個重要應用領域。因此對QD-LED的研究引起了薄膜電致發光器件和半導體納晶研究工作者的極大關注。