未來15年量子點LED將點亮全球

　　1981年，一種全新概念的納米級半導(dǎo)體發(fā)光粒子被發(fā)現(xiàn)，我們且稱作“量子點”(Quantum Dot，QD)。從發(fā)現(xiàn)到前一個10年的時間里，人們還僅僅在學(xué)術(shù)的角度研究它的性質(zhì)，又過了10年的時間也基本上沒有找到它的應(yīng)用領(lǐng)域。2000年以后，量子點制備技術(shù)的提高帶動了其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是量子點技術(shù)的光譜隨尺寸可調(diào)、斯托克斯位移大、發(fā)光效率高、發(fā)光穩(wěn)定性好等一系列獨特的光學(xué)性能更是成為近年來研究的焦點，并取得了重大進(jìn)展。目前，量子點生物技術(shù)首先在醫(yī)藥學(xué)上得到應(yīng)用，量子點電視顯示屏已經(jīng)出現(xiàn)，量子點LED(QLED)光源也在實驗室里誕生。

　　1.未來15年量子點LED將點亮全球

　　1879年，白熾燈走完了從實驗室到實用照明的最后一步，開創(chuàng)了人類電氣照明的新紀(jì)元，只用了短短的20年時間，白熾燈撕開夜幕，點亮了世界。

　　1938年，熒光燈橫空出世，人類進(jìn)入了氣體放電照明時代，20年后，熒光燈將千家萬戶的夜晚照亮成白晝。1980年，三基色熒光燈的出現(xiàn)將人類帶入了裝飾照明時代。又是在20年后，節(jié)能燈成為最廉價的光源布滿全球5大洲。

　　1998年，世界上第一支實用的白光LED問世，15年后，LED正開始全面接管整個照明市場，LED點亮了21世紀(jì)。

　　2009年，第一個量子點LED(QLED)燈泡在美國誕生。2010年，中國人取得了量子點技術(shù)顛覆性的突破，成為QLED照明進(jìn)入實用化的起點。

　　雖然昂貴的量子點材料現(xiàn)在還不可能進(jìn)入大眾照明領(lǐng)域，但我們有理由相信：15年后的2030年，室內(nèi)照明必將成為QLED的天下!

　　2.神奇的量子點：不可思議的納米晶體

　　量子點是一種納米晶體。其組成元素已經(jīng)不僅僅局限于Ⅱ-Ⅵ族(BaS、CdTe等)或Ⅲ-Ⅴ族(GaAs、InGaAs)到現(xiàn)在的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族(AgInS2等)的幾種元素，隨著研究的深入，還有更多的體系組成將被開發(fā)出來。

　　量子點大多為無機(jī)化合物，其性能穩(wěn)定、可在水中形成膠體，尺寸在1～20 nm之間，這相當(dāng)于5~100個原子直徑的尺寸。 量子點的3個維度都在100 nm以下，從尺寸上講，量子點是準(zhǔn)零維度的納米材料(見圖1)。在量子點所有的與激發(fā)和發(fā)光密切相關(guān)的特性中讓我們尤為感興趣的是表面效應(yīng)、量子限域效應(yīng)和尺寸效應(yīng)?！?/p>

　　2.1 量子點的表面效應(yīng)

　　隨著構(gòu)成量子點的原子數(shù)量的減少，粒徑也隨之減小，比表面積隨之增大。

　　在化學(xué)性質(zhì)方面，由于大部分原子都位于其顆粒表面，又使得化學(xué)性質(zhì)異?；顫姡瑯O易產(chǎn)生宏觀狀態(tài)條件下不能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

　　在光學(xué)性質(zhì)方面，其反射系數(shù)會隨著粒徑的減少而顯著降低。粒徑越小，則顏色越深，即納米顆粒的光吸收能力越強(qiáng)，呈現(xiàn)出寬頻帶強(qiáng)吸收光譜，直至成為黑色。

　　2.2 量子限域效應(yīng)

　　量子點由少量的原子所構(gòu)成，由于尺寸的限制，其內(nèi)部電子在各方向上的運動都受到局限，不能再自由移動，這就是所謂的量子限域效應(yīng)。正是這種效應(yīng)導(dǎo)致了量子點會產(chǎn)生類似原子一樣的不連續(xù)電子能級結(jié)構(gòu)，因此量子點又被稱為“人造原子”。這種“人造原子”在被激發(fā)時也不再有普通晶體的帶狀光譜，而具有了像原子一樣極窄的線狀光譜性質(zhì)，其光譜是由帶間躍遷的一系列線譜組成。

　　2.3 量子尺寸效應(yīng)

　　量子點最大的特點是能量間隙隨著晶粒的增大而改變，晶粒越大，則能量間隙越小，反之，能量間隙越大。也就是說，量子點越小，則發(fā)光的波長越短(藍(lán)移)，量子點越大，則發(fā)光的波長越長(紅移)。根據(jù)量子點的尺寸效應(yīng)，我們就可以運用改變晶粒尺寸的方法來改變發(fā)光光譜，而不再需要改變量子點的化學(xué)組成(見圖2)。

　　2.4 量子點LED 的發(fā)光形式

　　量子點是QLED發(fā)光的基本材料。實現(xiàn)QLED發(fā)光的主要有兩種形式：一是采用在GaN基LED中作為光轉(zhuǎn)換層，有效吸收藍(lán)光發(fā)射出波長在可見光范圍內(nèi)精確可調(diào)的各色光;二是采用其電致發(fā)光形式，將其涂敷于薄膜電極之間而發(fā)光(見圖3)?！?/p>

　　3.歷史的回顧：從量子點到QLED

　　上世紀(jì)80年代初，美國貝爾實驗室的路易斯·布魯斯(Louis Brus)博士和前蘇聯(lián)約夫研究所的亞力山大·埃夫羅斯(Alexander Efros)博士以及維克多·克里莫夫(Victor I. Klimov)博士等多位研究者發(fā)現(xiàn)：粒徑不同硫化鎘顆粒在受激情況下會產(chǎn)生不同顏色的熒光。該效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了量子點大小與顏色之間的相互關(guān)系，為量子點從實驗室走向?qū)嵺`應(yīng)用鋪平了道路。

　　1998年，阿薩托斯(Alivisatos)和奈爾(Nie)兩個研究小組，首次將量子點生物熒光標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用于活細(xì)胞體系。由此掀起了量子點的研究熱潮。物理學(xué)家當(dāng)初研究量子點時，絕對不會想到量子點最先的應(yīng)用是在生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)藥領(lǐng)域，量子點技術(shù)的出現(xiàn)為某些疾病的診斷和新藥研究帶來了新的希望。

　　在1990~1993年之間，貝爾實驗室發(fā)明了“金屬有機(jī)-配位溶劑-高溫”技術(shù)，它以具有高毒性、非常不穩(wěn)定的二甲基鎘作為鎘源，在300℃左右高溫下、在有機(jī)配位溶劑中合成高質(zhì)量的硒化鎘。這對于整個量子點研究領(lǐng)域具有里程碑式意義。但是，這同時也給該領(lǐng)域留下來一個挑戰(zhàn)。他們用的原料，是從“金屬有機(jī)氣相沉積”借鑒而來，其中的二甲基鎘是爆炸性的，即使是室溫也不穩(wěn)定，而且毒性很大，成本很高。沿著這樣的技術(shù)思路，導(dǎo)致在后來10年間，這個領(lǐng)域發(fā)展并不快。

　　2009年，美國尼克思照明的夏洛特將量子點的涂料涂在藍(lán)光LED上，在實驗室中制成了世界上第一個量子點LED燈泡——QLED燈。當(dāng)時，所用材料是劇毒的鎘化物。

　　將無鎘技術(shù)引入量子點研究的是我國的彭笑剛教授。他基于對激發(fā)態(tài)合成技術(shù)的重新認(rèn)識，采用了一些新的合成控制方法，得到了一些性能前所未有的量子點，從此，量子點技術(shù)進(jìn)入了無毒環(huán)保研究階段。同時，他又發(fā)明了一種在QLED器件中插入1層納米絕緣層的技術(shù)，從而徹底解決了正、負(fù)載流子注入平衡的關(guān)鍵難點。這兩項技術(shù)的突破，從實驗上驗證了QLED實用化的可行性，為QLED在未來的顯示和照明領(lǐng)域扮演重要角色提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

　　2010年5月，在美國拉斯維加斯的世界燈展上，來自我國浙江大學(xué)的彭笑剛教授與其合作者推出兩種無公害的QLED系列產(chǎn)品，他的全新工藝?yán)砟顦?biāo)志著固態(tài)照明領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)突破。這一突破性的技術(shù)成為QLED照明進(jìn)入實用化的起點。

　　目前，QLED進(jìn)入實用化的領(lǐng)域是彩色顯示屏。2014年9月，TCL公司率先推出中國第1臺型號為H9700的55 in量子點電視，到2014年底，彩電業(yè)興起一股量子點電視的熱潮。2015年1月，在美國CES國際消費電子展會上，長虹也展出號稱全球第1臺曲面量子點電視。2015年4月，TCL多媒體又發(fā)布了量子點電視新品TV+量子點曲面電視，并一舉奪得“中國家電艾普蘭創(chuàng)新獎”。這一切創(chuàng)新成就的出現(xiàn)都充分顯示了QLED的發(fā)展活力。

　　據(jù)了解，最初制造的量子點電視是含有劇毒鎘元素材料的，而現(xiàn)在剛上市的量子點電視大多不含鎘元素。

　　4.OLED的困惑：從希望到尷尬

　　有機(jī)物發(fā)光二極管(OLED)是鄧青云博士(他被譽(yù)為現(xiàn)代OLED之父)在1979年發(fā)現(xiàn)的。1994年日本科學(xué)家宣布了第1只白光有機(jī)發(fā)光二極管用于照明。2007年，一種15 cm×15 cm的大面積白光OLED被開發(fā)，當(dāng)時的有效發(fā)光面積達(dá)到了12cm×12 cm，平均亮度達(dá)到852 cd/m2。2008年，歐司朗發(fā)表在玻璃基板上1 000 cd/ m2亮度的時候，光效達(dá)到46 lm/W，壽命超過了5 000h。

　　目前，用于照明的OLED面板面積以30 cm×30 cm為主流產(chǎn)品，也有達(dá)60 cm×60 cm以上的。亮度一般為1 000 nt以下，壽命宣稱達(dá)到了10 000 h以上。

　　OLED是一種基于有機(jī)薄膜的自有光源顯示屏技術(shù)，為電致發(fā)光光源。與液晶顯示技術(shù)相比，具有眾多的優(yōu)點。如只有1 mm左右的超薄厚度、超輕、廣視角、自發(fā)光(不需要背景光源)、刷新速度快(是液晶的1 000倍)、高清晰、低能耗、低溫特性優(yōu)(在-40 ℃下性能依然良好)，可以實現(xiàn)柔性顯示(即屏幕可以卷曲)等，被認(rèn)為是顯示技術(shù)的未來。到目前為止，全球各大顯示器制造商都在開發(fā)OLED產(chǎn)品。

　　過去20年，在改善基礎(chǔ)OLED材料整合方面，人們不斷地投入了許多的努力。雖然理論上可運用的小分子和高分子材料種類相當(dāng)繁多，然而，有機(jī)材料的壽命、效率、色彩及目前最佳化制程條件仍受到多重參數(shù)的牽制，使得原本領(lǐng)先的OLED紅、藍(lán)、綠發(fā)光材質(zhì)的開發(fā)受到阻礙。

　　與QLED的開發(fā)相比，OLED從彎曲到柔性，從光效到色純度，從壽命到價格，OLED都不占優(yōu)勢。

　　第一，制造OLED時，需要使用1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。而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。

　　第二，OLED的光色的純度不足，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。

　　第三，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%~40%。同時QLED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。

　　綜上所述，QLED不但成為OLED強(qiáng)有力的競爭者，或者，更大膽一點說，QLED也可能是OLED的掘墓者。

　　5.QLED照明優(yōu)勢與挑戰(zhàn)并存

　　5.1 化學(xué)性能方面的優(yōu)勢

　　在制備技術(shù)方面，QLED有以下3方面優(yōu)勢。第一，因為構(gòu)成QD的材料全部為無機(jī)物，使得它們對制造環(huán)境的要求不再苛刻，在有水氣或氧氣的環(huán)境中，比OLED更為穩(wěn)定，穩(wěn)定性比有機(jī)熒光體高幾個數(shù)量級;第二，它同時兼具高分子的溶解性以及磷光材料的高發(fā)光效率潛力;第三，因為納米晶體的直徑控制了QD的光學(xué)能隙，使得發(fā)光光色特性的判定及最佳化程序變得更簡化。

　　5.2 照明學(xué)方面的優(yōu)勢

　　從近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，與太陽光比較，現(xiàn)在的白光LED燈是有缺陷的，這種人造白光有很多的高能光子(即藍(lán)光過多)現(xiàn)象。已經(jīng)有一些醫(yī)學(xué)證據(jù)表明藍(lán)光過多對人類健康的影響是不利的。

　　低色溫、大功率白光LED仍是商品化GaN基白光LED發(fā)展的總體趨勢。為適應(yīng)這種趨勢，就要加快紅光熒光粉的研發(fā)進(jìn)程，這對提升白光LED的顯色指數(shù)具有重要意義。然而，令人遺憾的是，到目前為止，所有紅色熒光粉的性能與藍(lán)、綠色熒光粉相比在光通量性能維持方面還相差甚遠(yuǎn)，這是白光LED發(fā)展的最大瓶頸所在。

　　另外，現(xiàn)行白光LED發(fā)熱還比較明顯。QLED的白光，在原理上可以完全做到與理想照明光源一致，更加接近于自然光，并且發(fā)熱會進(jìn)一步減少。

　　作為照明用的QLED，它有3個突出的優(yōu)點：①能發(fā)射出全光譜，即涵蓋整個可見光和紅外光區(qū);②它們能局限量子發(fā)光性質(zhì)，并釋放出較小頻寬的色光，發(fā)射出的波長半寬度在20 nm以下，因而呈現(xiàn)出更加飽和的光色;③量子效率可達(dá)90%，以后還將會有更高的提升空間(見圖4)。

　　5.3 價格方面的挑戰(zhàn)

　　從冷陰極到LED，從OLED到QLED，現(xiàn)代照明技術(shù)的飛躍都是從顯示技術(shù)開始的。因為從實驗室走向應(yīng)用的初期階段，成本一向是很高的，用于照明肯定不能接受這種昂貴的價格，因為量子點仍然十分昂貴。即使是在低端，它們的成本也在幾百美元/g，最高可達(dá)1萬美元/g。

　　然而，當(dāng)年世界上第1只白光LED出現(xiàn)時，天價的芯片和黃色熒光粉有多少人能想到在15年后會如此的便宜?LED能有現(xiàn)在的輝煌?如果量子點合成達(dá)到了LED光電性能的要求，價格再降到可以用于照明的水平，那么，量子點LED有望結(jié)合氮化鎵LED和OLED兩者的優(yōu)勢成為下一代照明光源。

　　5.4 更多的改善空間

　　處于新興的研究應(yīng)用領(lǐng)域，QLED 也還存在一些問題有待進(jìn)一步研究。第一，目前的非鎘系量子點產(chǎn)品的光效與鎘系量子點產(chǎn)品尚有一定的差距;第二，其發(fā)光機(jī)理還不是很清楚，這就制約了新材料的開發(fā)進(jìn)程，因此需要進(jìn)一步深入研究;第三，從量子點到QLED 器件的應(yīng)用轉(zhuǎn)換過程中發(fā)光猝滅現(xiàn)象比較嚴(yán)重，與GaN基的LED相比尚有一定的距離;第四，對量子點電致發(fā)光性能的研究還比較薄弱，加速這項研究將對未來新型QLED 面板燈的應(yīng)用有非常重要的意義。

　　6.結(jié)束語

　　從第1只QLED燈點亮到現(xiàn)在，已經(jīng)走過了6個年頭，各種研究和應(yīng)用還剛剛起步，一些有實力的大學(xué)研究機(jī)構(gòu)也紛紛加入到研究的隊伍中。QLED以其優(yōu)越的性能使得企業(yè)家也看到了無限的商機(jī)，一些國際知名企業(yè)也在嘗試開發(fā)QLED產(chǎn)品。我們能看到的是：在5~10年內(nèi)，QLED顯示屏的市場占有量將達(dá)到30%~50%以上;我們能想象到的是：在10~15年內(nèi)，QLED將正式走進(jìn)室內(nèi)照明，占有率會達(dá)到20%~50%的水平。