看不到的量子點，為你發(fā)光
去年10月，諾貝爾物理學獎頒給了發(fā)明藍光發(fā)光二極管的數(shù)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(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，一篇來自中國科學家的論文在《自然》上發(fā)表，報道了在量子點發(fā)光二極管領(lǐng)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(shè)計出一種新型高性能量子點發(fā)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(shù)的有力競爭者。
“我們已經(jīng)看到了第一個帶有顛覆性意義的量子點應(yīng)用，也就是性能優(yōu)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(fā)光性能
“發(fā)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(zhì)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(xiàn)出來，就會看到這個物質(zhì)在發(fā)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(fā)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(zhì)中并不是常存在的，復合過程需要電激發(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，電子和空穴在電場作用下發(fā)生遷移，它們在相遇時有可能發(fā)生復合，但這個過程并不容易。它們要有緣邂逅，發(fā)生相互作用形成“電子—空穴對”，最終才能在適合條件下復合，發(fā)出幸福的象征——光子。
為了保證一個較高的復合效率，科研人員常會提供一個復合介質(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(yōu)異的發(fā)光介質(zhì)，只要電子和空穴一對一的進入到量子點，就會復合發(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的量子點發(fā)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(fā)光二極管。同時精巧地設(shè)計了結(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，大大提升了量子點發(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為的兩個關(guān)鍵問題——要讓量子點發(fā)光二極管達到現(xiàn)實應(yīng)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(shè)計其結(jié)構(gòu)，以達到最大的電光轉(zhuǎn)換效率。
至關(guān)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(xiàn)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(zhì)。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(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，量子點表現(xiàn)出了量子效應(yīng)——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或十幾個原子。而通過調(diào)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(fā)出的是藍色光，到8納米的尺寸時發(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，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(yīng)。
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(zhì)，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(tǒng)探索了量子點生長機理，使得相對高質(zhì)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(wěn)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(chǎn)業(yè)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(xiàn)和分辨出不同色差的100支唇膏。
彭笑剛介紹說，量子點應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。在生物醫(yī)療領(lǐng)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(nóng)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(chǎn)業(yè)，使用量子點的發(fā)光二極管，更加接近于自然光，并且發(fā)熱大大減少。
科學家認為，量子點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。而量子點發(fā)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(shù)上處于國際領(lǐng)先地位。
“一系列的實驗結(jié)果驗證了量子點發(fā)光二極管的實用性。這進而預(yù)示著，量子點發(fā)光二極管有望在照明與顯示兩個產(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(fā)出各色發(fā)光波長的高效QLED，讓電子和空穴復合產(chǎn)生的光子為千家萬戶照明。
