LED最新技術(shù)：QLED新型器件將顛覆顯示和照明技術(shù)

　　去年10月，諾貝爾物理學(xué)獎頒給了發(fā)明藍光發(fā)光二極管的數位日裔科學(xué)家，“白熾燈點(diǎn)亮了20世紀，LED點(diǎn)亮了21世紀”，從頒獎詞看出，發(fā)光二極管即LED是公認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)自中國科學(xué)家的論文在《自然》上發(fā)表，報道了在量子點(diǎn)發(fā)光二極管領(lǐng)域取得的重要研究進(jìn)展。在浙江大學(xué)課題組的這項研究中，科學(xué)家們設計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(zhù)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)應用，也就是性能優(yōu)異的‘量子點(diǎn)LED’。”研究團隊負責人、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)光材料對人類(lèi)的重要性，決定了量子點(diǎn)會(huì )成為明星材料。”彭笑剛認為。

　　光是能量的一種形式，當物質(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(chēng)為“電子空穴復合”。然而，能復合的電子和空穴在物質(zhì)中并不是常存在的，復合過(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，它們在相遇時(shí)有可能發(fā)生復合，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”，最終才能在適合條件下復合，發(fā)出幸福的象征——光子。

　　為了保證一個(gè)較高的復合效率，科研人員常會(huì )提供一個(gè)復合介質(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)機半導體納米晶”，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一的進(jìn)入到量子點(diǎn)，就會(huì )復合發(fā)光，發(fā)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(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(huì )，大大提升了量子點(diǎn)發(fā)光二極管的高效率發(fā)光性能和穩定性。

　　這也恰恰解決了彭笑剛所認為的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——要讓量子點(diǎn)發(fā)光二極管達到現實(shí)應用水平，一是怎樣量身定制適用于LED的量子點(diǎn)材料;二是怎樣設計其結構，以達到最大的電光轉換效率。

　　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)，能表現不同的顏色

　　“量子點(diǎn)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(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(zhù)很多新的可能性。”彭笑剛說(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(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體納米晶，在2納米時(shí)發(fā)出的是藍色光，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(shuō)，量子點(diǎn)的名字，也正是來(lái)源于半導體納米晶的量子尺寸效應。

　　長(cháng)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。彭笑剛在國外時(shí)較早的貢獻在于，找到了一種“綠色”有機溶劑路線(xiàn)，只要有一個(gè)普通的化學(xué)合成實(shí)驗室就可以做量子點(diǎn)的簡(jiǎn)便合成。之后，又進(jìn)一步系統探索了量子點(diǎn)生長(cháng)機理，使得相對高質(zhì)量的量子點(diǎn)的范圍逐步擴大到多種類(lèi)半導體。很快，這條“綠色”路線(xiàn)在全世界推廣。

　　“最后找到的方法，就是通過(guò)理解晶體生長(cháng)的特殊機制，用常見(jiàn)的化學(xué)品取代昂貴的不穩定原料?？茖W(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)。“但里面‘有’1萬(wàn)臺電視機。”趙飛說(shuō)，這些量子點(diǎn)，可以用來(lái)制造1萬(wàn)臺使用量子點(diǎn)的新型彩電。

　　從量子點(diǎn)電視機播放的演示畫(huà)面來(lái)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(huà)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(shuō)，量子點(diǎn)應用領(lǐng)域十分廣泛。在生物醫療領(lǐng)域，能用量子點(diǎn)把細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)檢測多種病菌或者農藥殘留。而且，因為量子點(diǎn)吸收能力非常強，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)驗結果驗證了量子點(diǎn)發(fā)光二極管的實(shí)用性。這進(jìn)而預示著(zhù)，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(shuō)，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(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(cháng)的高效QLED，讓電子和空穴復合產(chǎn)生的光子為千家萬(wàn)戶(hù)照明。

　　來(lái)源：新世紀LED網(wǎng)