QLED器件示意圖

一類明星材料———量子點(diǎn)

       量子點(diǎn)屬于一大類新材料——溶液納米晶中的一種。溶液納米晶具有晶體和溶液的雙重性質(zhì)，量子點(diǎn)是其中馬上具有突破性工業(yè)應(yīng)用的材料。

       與其他納米晶材料不同，量子點(diǎn)是以半導(dǎo)體晶體為基礎(chǔ)的。尺寸在1~100納米之間，每一個(gè)粒子都是單晶。量子點(diǎn)的名字，來源于半導(dǎo)體納米晶的量子限域效應(yīng)，或者量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體晶體小到納米尺度(1納米大約等于頭發(fā)絲寬度的萬分之一)，不同的尺寸就可以發(fā)出不同顏色的光。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，中間的尺寸則呈現(xiàn)綠色黃色橙色等等。量子點(diǎn)的化學(xué)成分，發(fā)光顏色可以覆蓋從藍(lán)光到紅光的整個(gè)可見區(qū)，而且色純度高、連續(xù)可調(diào)。

       量子點(diǎn)可以應(yīng)用在生物醫(yī)療領(lǐng)域。我們能用量子點(diǎn)把細(xì)胞的骨架完全顯示出來。與其它種類的檢測(cè)手段相比，量子點(diǎn)發(fā)光材料做檢測(cè)肯定是有優(yōu)勢(shì)的。我們可以很容易地利用量子點(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)吸收能力非常大，能夠大大提高靈敏度。

       量子點(diǎn)也能應(yīng)用于照明產(chǎn)業(yè)。目前照明消耗的能量大致相當(dāng)于電能的20%。但人造光源的光效率是很低的。例如，照明質(zhì)量高的白熾燈，光效只有2%。如果能把效率提高到20%，就意味著能節(jié)省能源消耗的20%。美國(guó)能源部的固態(tài)照明路線圖寫了一段話：量子點(diǎn)在人類照明領(lǐng)域?qū)⑵鸬街匾饔谩?/p>

       另外，還有顯示產(chǎn)業(yè)。目前的第一代量子點(diǎn)顯示設(shè)備，是氮化鎵LED與量子點(diǎn)結(jié)合的背光源產(chǎn)品，納晶公司和美國(guó)兩家高科技公司都已經(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、色飽和度很高，是其它顯示技術(shù)難以企及的。據(jù)我所知，國(guó)內(nèi)一家大型電視機(jī)廠家將會(huì)在今年年底或者明年年初推出這種新型的彩色電視。

從發(fā)端到熱潮

       量子點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)端，大約在70年代末。當(dāng)時(shí)，西方國(guó)家的化學(xué)家受石油危機(jī)的影響，想尋找新一代能利用太陽(yáng)能的光催化和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。借鑒半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的原理，化學(xué)家們開始嘗試著在溶液中制備半導(dǎo)體小晶體，并研究它們的光電性質(zhì)。有代表性的人物，包括美國(guó)的BARD和BRUS、前蘇聯(lián)的Ekimov、德國(guó)的HENGLEIN等。

       在實(shí)驗(yàn)室里，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常奇怪的現(xiàn)象。比如，硫化鉛的大塊單晶總是大家熟悉的黑色，但是，化學(xué)家在溶液中做出來的納米晶體顏色各不一樣，有的黃、有的紅、有的黑，有的甚至沒有顏色。到底發(fā)生了什么奇怪的事情?

       最后，美國(guó)科學(xué)家BRUS、前蘇聯(lián)的E-FROS給出了一個(gè)漂亮的解釋，這就是“量子限域效應(yīng)”理論。他們倆的文章發(fā)表時(shí)間有些不同，但由于前蘇聯(lián)的隔離，彼此并不知道對(duì)方的工作。

       目前為止，這個(gè)領(lǐng)域還是化學(xué)家在起主導(dǎo)作用，合成出性能達(dá)到要求的量子點(diǎn)還是該領(lǐng)域最關(guān)鍵的事情。1990年以前，合成方法都是基于傳統(tǒng)的制備膠體小粒子的化學(xué)方法，例如共沉淀、微乳液、膠束等。這些方法能夠在一定程度上把尺寸控制在要求的范圍內(nèi)，但光學(xué)性能非常差，基本上不發(fā)光。

       量子點(diǎn)研究在1990年到1993年之間發(fā)生了一件非常重要的事情，出現(xiàn)了一種新的合成方法，叫“金屬有機(jī)-配位溶劑-高溫”路線，這個(gè)方法最早在貝爾實(shí)驗(yàn)室被發(fā)明，它以具有高毒性、非常不穩(wěn)定的二甲基鎘作為鎘源，在高溫(300攝氏度左右)、有機(jī)配位溶劑中合成高質(zhì)量硒化鎘。這對(duì)于整個(gè)領(lǐng)域具有里程碑式意義。但是，這同時(shí)也給領(lǐng)域留下來一個(gè)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。這些因素，導(dǎo)致在后來10年間，這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展并不快，而且只能做一種材料。

       后來我到了阿肯色大學(xué)，我們找到了一種“綠色”有機(jī)溶劑路線，它讓量子點(diǎn)的簡(jiǎn)便合成走進(jìn)了全世界的實(shí)驗(yàn)室。只要有一個(gè)普通的化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室就可以做，在中國(guó)也可以做。接下來，我們系統(tǒng)探索了量子點(diǎn)生長(zhǎng)機(jī)理，使得相對(duì)高質(zhì)量的量子點(diǎn)的范圍也逐步擴(kuò)大到其它種類半導(dǎo)體。由于這些原因，這條“綠色”路線很快在全世界推廣，包括工業(yè)界和學(xué)術(shù)界。

       我認(rèn)為，科學(xué)研究分兩類，分別是“前瞻性探索”和“系統(tǒng)性攻關(guān)”。上述貝爾實(shí)驗(yàn)室1990年的工作，就是典型的前瞻性探索，我們實(shí)驗(yàn)室在本世紀(jì)的工作則更接近系統(tǒng)性攻關(guān)。科學(xué)研究面對(duì)的未知世界、不像考試一樣有標(biāo)準(zhǔn)答案。因此，我們既不能否定前瞻性探索、也不應(yīng)該看不起系統(tǒng)性攻關(guān)。目前中國(guó)科學(xué)研究有過于看重前者的傾向，對(duì)科學(xué)熱點(diǎn)過于關(guān)注。

顛覆性進(jìn)展

       回到浙江大學(xué)后，我慢慢認(rèn)識(shí)到量子點(diǎn)合成化學(xué)真正的核心問題是激發(fā)態(tài)控制。這是因?yàn)椋鳛榘l(fā)光材料，其性能的實(shí)現(xiàn)只能在激發(fā)態(tài)。而對(duì)于傳統(tǒng)的合成化學(xué)，化學(xué)家只關(guān)心基態(tài)。基于這個(gè)新認(rèn)識(shí)，我們采用了一些新的合成控制方法。由此，我們得到了一些性能前所未有的量子點(diǎn)。

       以這些新型量子點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過與浙大材料系金一政副教授小組和納晶科技公司合作，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。那就是性能優(yōu)異的量子點(diǎn)LED(QLED)。在申請(qǐng)了專利后，我們把相關(guān)的第一篇文章投給了Natue雜志。已經(jīng)在線發(fā)表。

       發(fā)光二極管(LED)正在改變我們的生活，在照明和顯示領(lǐng)域的節(jié)能效果已經(jīng)得到公認(rèn)，這就是今年諾貝爾物理獎(jiǎng)(氮化鎵藍(lán)光LED)的基礎(chǔ)。氮化鎵藍(lán)光LED已經(jīng)大面積量產(chǎn)，相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)被日本、美國(guó)、歐洲公司牢牢控制了。但是，氮化鎵藍(lán)光LED的技術(shù)，是基于在藍(lán)寶石單晶襯底上外延生長(zhǎng)多層半導(dǎo)體單晶，要求高真空設(shè)備、超高純度原料、制備過程能量消耗大。因此，其基礎(chǔ)成本大。

       如果量子點(diǎn)合成達(dá)到了LED光電性能的要求，那么，量子點(diǎn)LED有望結(jié)合氮化鎵LED和OLED兩者的優(yōu)勢(shì)。我們近期的這個(gè)工作，證實(shí)了這個(gè)設(shè)想。Nature的審稿人給出了幾個(gè)指標(biāo)，讓我們與OLED和其它溶液加工LED做一個(gè)橫向比較。結(jié)果表明，盡管我們的QLED是在相對(duì)簡(jiǎn)陋的條件下用溶液法制備的，但我們的器件幾乎全面勝出。

       LED也是照明產(chǎn)業(yè)的核心器件。但是和太陽(yáng)光比較，現(xiàn)在的白光LED燈是有缺陷的，它是人造白光，有很多的高能光子。高能光子對(duì)人類健康的影響，已經(jīng)有一些醫(yī)學(xué)證據(jù)表明是不利的。另外，現(xiàn)行白光LED發(fā)熱比較明顯，這也不是好消息。QLED的白光，在原理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)熱大大減少。我們最近工作的進(jìn)展表明，有一天量子點(diǎn)LED將為照明產(chǎn)業(yè)做出貢獻(xiàn)。量子點(diǎn)這個(gè)領(lǐng)域，目前已經(jīng)發(fā)展到了需要高深、更系統(tǒng)、更集成(或者更交叉)的水平。我們的QLED技術(shù)，目前處于國(guó)際領(lǐng)先地位、并確立了自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。但是，來自MIT(QDVision)、SAMSUMG等方面的競(jìng)爭(zhēng)是不容小視的。