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。在浙江大學(xué)課題組的這項(xiàng)研究中,科學(xué)家們?cè)O(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(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(jí)躍遷到一個(gè)相對(duì)較低的空能級(jí),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(jí)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(chǎng)作用下發(fā)生遷移,它們?cè)谙嘤鰰r(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(duì)”,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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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??茖W(xué)就是這么回事,沒找到之前一頭霧水,找到之后覺得挺簡(jiǎn)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??梢院苋菀椎乩昧孔狱c(diǎn)的不同顏色來同時(shí)檢測(cè)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。