看不到的量子點，為你發光

去年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。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’。”研究團隊負責人、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。”彭笑剛認為。

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。”彭笑剛說。

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。”參與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。科學就是這么回事，沒找到之前一頭霧水，找到之后覺得挺簡單。”彭笑剛說。

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。“但里面‘有’1萬臺電視機。”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。”彭笑剛說，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。