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2014年10月,诺贝尔物理学奖颁给了发明蓝光发光二极管的数位日裔科学家,“白炽灯点亮了20世纪,LED点亮了21世纪”,从颁奖词看出,发光二极管即LED是公认的下一代显示与照明技术的核心器件。几十天后,一篇来自中国科学家的论文在《自然》上发表,报道了在量子点发光二极管领域取得的重要研究进展。

  我国科学家设计出新型量子点发光二极管

  在浙江大学课题组的这项研究中,科学家们设计出一种新型高性能量子点发光二极管(QLED),并将使用亮度条件下的寿命推进到10万小时的实用水平,这意味着这种新型器件有望成为下一代显示和照明技术的有力竞争者。

  “我们已经看到了第一个带有颠覆性意义的量子点应用,也就是性能优异的‘量子点LED’。”研究团队负责人、浙江大学高新材料化学中心教授彭笑刚说。

  量子点能大大提高二极管的发光性能

  “发光材料对人类的重要性,决定了量子点会成为明星材料。”彭笑刚认为。

  光是能量的一种形式,当物质中的电子从一个高能级跃迁到一个相对较低的空能级,能量就会被释放——如果这份能量以光的形式表现出来,就会看到这个物质在发光。

  科研人员解释说,在半导体材料中,如果电子掉进空能级的空穴,就会发出光子,这被称为“电子空穴复合”。然而,能复合的电子和空穴在物质中并不是常存在的,复合过程需要电激发或光激发。发光二极管就是电激发的发光器件。

  发光二极管通电时,电子和空穴在电场作用下发生迁移,它们在相遇时有可能发生复合,但这个过程并不容易。它们要有缘邂逅,发生相互作用形成“电子—空穴对”,最终才能在适合条件下复合,发出幸福的象征——光子。

  为了保证一个较高的复合效率,科研人员常会提供一个复合介质,也就是“发光材料”。在这类材料里安排电子和空穴“相亲”,成功几率会大大提高。学名叫“可溶的无机半导体纳米晶”,简称为溶液纳米晶的量子点,正是非常优异的发光介质,只要电子和空穴一对一的进入到量子点,就会复合发光,发光量子效率可以高达100%。

  彭笑刚课题组正是合成了一种适合于LED的量子点发光材料,然后与浙江大学金一政课题组合作做成了新型的量子点发光二极管。同时精巧地设计了结构,让电子减缓“步伐”,空穴则加快脚步,促成电子与空穴的有效相会,大大提升了量子点发光二极管的高效率发光性能和稳定性。

  这也恰恰解决了彭笑刚所认为的两个关键问题——要让量子点发光二极管达到现实应用水平,一是怎样量身定制适用于LED的量子点材料;二是怎样设计其结构,以达到最大的电光转换效率。

  至关重要的量子点,究竟是一种什么材料呢?

不同尺寸的量子点,能表现不同的颜色

  “量子点是一种纳米尺寸的半导体晶体,它的三维尺寸都在100纳米以下。把它们放入溶液,从此人类有了一类全新的材料,它们具有晶体和溶液的双重性质。从化学角度讲,甚至是一类全新的分子;从材料的前途看,它代表着很多新的可能性。”彭笑刚说。

  量子点的大小,大概是一根头发丝直径的十万分之一,人眼已经无法看到。正是在纳米尺度,量子点表现出了量子效应——当这些半导体晶体做到小到纳米尺度,不同的尺寸就可以发出不同颜色的光,即使是尺寸相差几个或十几个原子。而通过调整量子点的尺寸,就能得到所需颜色的光。比如硒化镉这种半导体纳米晶,在2纳米时发出的是蓝色光,到8纳米的尺寸时发出的就是红色光,中间的尺寸呈现绿色黄色橙色等。

  “使用不同尺寸的量子点,我们将会看到不同的颜色,而且色彩非常鲜艳。”参与课题合作的杭州纳晶科技公司的赵飞博士说,量子点的名字,也正是来源于半导体纳米晶的量子尺寸效应。

  长期以来,量子点的合成依赖于一些特别活泼的、毒性特别高的物质,见到空气就会爆炸,必须保存在冰箱里。彭笑刚在国外时较早的贡献在于,找到了一种“绿色”有机溶剂路线,只要有一个普通的化学合成实验室就可以做量子点的简便合成。之后,又进一步系统探索了量子点生长机理,使得相对高质量的量子点的范围逐步扩大到多种类半导体。很快,这条“绿色”路线在全世界推广。

  “最后找到的方法,就是通过理解晶体生长的特殊机制,用常见的化学品取代昂贵的不稳定原料。科学就是这么回事,没找到之前一头雾水,找到之后觉得挺简单。”彭笑刚说。

  有望在照明与显示产业中扮演重要角色

  在纳晶科技公司,几支试管和几个或大或小的塑料瓶中,分别装有绿、黄、红各色液体,这就是量子点溶液。把一桶2000毫升的溶液提纯后,晶体大概只有手指头那么点。“但里面‘有’1万台电视机。”赵飞说,这些量子点,可以用来制造1万台使用量子点的新型彩电。

  从量子点电视机播放的演示画面来看,同样是蓝色或红色,可以分辨出很多不同的鲜艳程度。同样是红色唇膏,画面上却能够呈现和分辨出不同色差的100支唇膏。

  彭笑刚介绍说,量子点应用领域十分广泛。在生物医疗领域,能用量子点把细胞的骨架完全显示出来。可以很容易地利用量子点的不同颜色来同时检测多种病菌或者农药残留。而且,因为量子点吸收能力非常强,能够极大提高灵敏度。照明也是一个很大的产业,使用量子点的发光二极管,更加接近于自然光,并且发热大大减少。

  科学家认为,量子点可能带来重大变化的产业,首先是显示。目前的第一代量子点显示产品是基于光激发发光,纳晶科技公司和美国的两家公司都已经进入商业化阶段。这种新型的背光源,让显示颜色的纯度很高、色饱和高。而量子点发光二极管则会把量子点显示带入第二代。目前,浙江大学与纳晶科技公司在第二代量子点显示技术上处于国际领先地位。

  “一系列的实验结果验证了量子点发光二极管的实用性。这进而预示着,量子点发光二极管有望在照明与显示两个产业中扮演更重要的角色。”彭笑刚说,显示和照明都需要白光或者红绿蓝三色光,研究团队接下来将在保持低成本的溶液制备工艺的前提下,开发出各色发光波长的高效QLED,让电子和空穴复合产生的光子为千家万户照明。

量子点发光二极管主要特性:

  1.这种技术中用到的量子点(QuantumDots)是一些肉眼无法看到的、极其微小的半导体纳米晶体,晶体中的颗粒直径不足10纳米。

  2.量子点由锌、镉、硒和硫原子组合而成。

  3.量子点有一个与众不同的特性:当受到电或者光(诸如LED产生的光)的刺激时就会发光,产生亮光和纯色,其发出的光线颜色由量子点的组成材料和大小、形状所决定。

  量子点发光二极管结构特点:

  1.量子点是一类半导体纳米晶体。以砷化镓,硒化镉等半导材料为核,外面包裹另一种半导材料而形成微小颗粒,其中颗粒直径有几纳米至数十纳米,包含几十至数百万个原子。

  2.因体积小,让内部电子在各方向上的运动受到限制,所以量子限域效应特别显著,也让它能发出特定颜色的荧光。其发出的光线颜色由量子点的组成材料和大小、形状所决定。由于发光波长范围极窄,颜色非常纯粹,所以画面更加明亮。

  3.当受到电或者光(诸如LED产生的光)的刺激后,量子点中的电子吸收了光子的能量,从稳定的低能级跃迁到不稳定的高能级,而在稳定恢复时将能量以特定波长的光子放出。

  量子点发光二极管产品性能:

  1.量子点发光二极管产品能够进行商业化生产并能同有机发光显示屏(OLED)相竞争,制造OLED时,需要使用一个“阴罩”,当屏幕尺寸变大时,阴罩板容易发生热胀冷缩,会使得色彩等不够精确。

  2.QLED的制造过程不需要使用阴罩,因此不会出现精确度减少的问题。另外量子点还可悬停在液体中,并使用多种技术让其沉积,包括将其喷墨打印在非常薄的、柔性或者透明的衬底上。

  3.OLED还有一处不足其纯色需用彩色过滤器才能产生,而QLED从一开始就能产生各种不同纯色,也在将电子转化为光子方面优于OLED,因此能效更高,制造成本更低。

  4.在同等画质下,QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍,发光率将提升30%至40%。同时OLED可以达到与无机半导体材料一样的稳定性、可靠性。

量子点发光二极管研发现状:

  1.QLED的发展也面临着两个挑战,其一是寿命短,最好的QLED寿命仅为1万小时,这对大尺寸显示屏来说还不够。其二是需要确保色彩能始终如一地再现。沙利文表示该公司已经在这两方面取得了很大进步,QLED即将开始商业化生产。

  2.QDVision公司将与韩国LG显示器公司、比利时化学品公司Solvay合作,研发和制造这种新的QLED有源矩阵显示屏。QDVision公司将提供量子点技术,而LG则负责产品生产。

  3.QDVision并非唯一一家研发量子点显示屏技术的公司,位于美国硅谷的Nanosys公司也在研发相关新产品,其产品中的一个液晶显示屏背光灯上有很多量子点,以提高能效和色质。

  量子点发光二极管成功制备:

  1.中国科技部973项目和国家自然科学基金委创新群体和重点项目的支持下,中科院化学所有机固体院重点实验室的科研人员与美国OceanNanoTech公司以及美国宾州州立大学合作,在半导体量子点发光二极管(QD-LED)的研究方面取得重要进展。

  2.化学所有机固体室的研究人员使用美国OceanNanoTech公司制备的高质量的具有核壳结构的CdSe/ZnS和CdSe/CdS/ZnS纳晶量子点,同时使用聚三苯胺(poly-TPD)为空穴传输层、八羟基喹啉铝(Alq3)为电子传输层,通过调节量子点尺寸以及通过器件结构和各层厚度的优化,制备了可发红、橙、黄、绿四种颜色光的QD-LED器件,其最大亮度分别达到9064(红光)、3200(橙光)、4470(黄光)和3700(绿光)cd/m2,分别为各色光QD-LED文献报道的最高值。同时,这些QD-LEDs还具有较低的启亮电压(3-4V)、改进的效率(1.1-2.8cd/A)、高的色纯度(电致发光谱半峰宽30nm左右)和较长的工作寿命。

  3.QD-LED具有与聚合物发光二极管(PLED)类似的器件结构和可溶液加工的特点,其发光层由半导体量子点(QDs)胶体溶液旋涂制成,因而具有与PLED同样的制备过程简单、成本低、可制成柔性器件等优点。同时,QD-LED与PLED相比,还具有发光色纯度高(发光半峰宽窄)、发光颜色可通过控制量子点尺寸大小进行调节等突出优点。除此之外,QD-LED还是半导体纳晶的一个重要应用领域。因此对QD-LED的研究引起了薄膜电致发光器件和半导体纳晶研究工作者的极大关注。

转载自  光电学堂
原链接 http://www.coema.org.cn/study/oedis/20150126/153424.html