QLED器件示意圖

一類明星材料———量子點

       量子點屬于一大類新材料——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，每一個粒子都是單晶。量子點的名字，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納米時發(fā)出的是藍(lán)色光，到8納米的尺寸時發(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)光到紅光的整個可見區(qū)，而且色純度高、連續(xù)可調(diào)。

       量子點可以應(yīng)用在生物醫(yī)療領(lǐng)域。我們能用量子點把細(xì)胞的骨架完全顯示出來。與其它種類的檢測手段相比，量子點發(fā)光材料做檢測肯定是有優(yōu)勢的。我們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大，能夠大大提高靈敏度。

       量子點也能應(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%。美國能源部的固態(tài)照明路線圖寫了一段話：量子點在人類照明領(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顯示設(shè)備，是氮化鎵LED與量子點結(jié)合的背光源產(chǎn)品，納晶公司和美國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，國內(nèi)一家大型電視機廠家將會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

       量子點領(lǐng)域的發(fā)端，大約在70年代末。當(dāng)時，西方國家的化學(xué)家受石油危機的影響，想尋找新一代能利用太陽能的光催化和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。借鑒半導(dǎo)體太陽能電池的原理，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，包括美國的BARD和BRUS、前蘇聯(lián)的Ekimov、德國的HENGLEIN等。

       在實驗室里，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個非常奇怪的現(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，美國科學(xué)家BRUS、前蘇聯(lián)的E-FROS給出了一個漂亮的解釋，這就是“量子限域效應(yīng)”理論。他們倆的文章發(fā)表時間有些不同，但由于前蘇聯(lián)的隔離，彼此并不知道對方的工作。

       目前為止，這個領(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-配位溶劑-高溫”路線，這個方法最早在貝爾實驗室被發(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)、有機配位溶劑中合成高質(zhì)量硒化鎘。這對于整個領(lǐng)域具有里程碑式意義。但是，這同時也給領(lǐng)域留下來一個挑戰(zhàn)。他們用的原料，是從“金屬有機氣相沉積”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”有機溶劑路線，它讓量子點的簡便合成走進(jìn)了全世界的實驗室。只要有一個普通的化學(xué)合成實驗室就可以做，在中國也可以做。接下來，我們系統(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)”。上述貝爾實驗室1990年的工作，就是典型的前瞻性探索，我們實驗室在本世紀(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)。目前中國科學(xué)研究有過于看重前者的傾向，對科學(xué)熱點過于關(guān)注。

顛覆性進(jìn)展

       回到浙江大學(xué)后，我慢慢認(rèn)識到量子點合成化學(xué)真正的核心問題是激發(fā)態(tài)控制。這是因為，作為發(fā)光材料，其性能的實現(xiàn)只能在激發(fā)態(tài)。而對于傳統(tǒng)的合成化學(xué)，化學(xué)家只關(guān)心基態(tài)。基于這個新認(rèn)識，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。

       以這些新型量子點為基礎(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)看到了第一個帶有顛覆性意義的量子點應(yīng)用。那就是性能優(yōu)異的量子點LED(QLED)。在申請了專利后，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(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)知識產(chǎn)權(quán)被日本、美國、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。

       如果量子點合成達(dá)到了LED光電性能的要求，那么，量子點LED有望結(jié)合氮化鎵LED和OLED兩者的優(yōu)勢。我們近期的這個工作，證實了這個設(shè)想。Nature的審稿人給出了幾個指標(biāo)，讓我們與OLED和其它溶液加工LED做一個橫向比較。結(jié)果表明，盡管我們的QLED是在相對簡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LED將為照明產(chǎn)業(yè)做出貢獻(xiàn)。量子點這個領(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)，目前處于國際領(lǐng)先地位、并確立了自己的知識產(chǎn)權(quán)。但是，來自MIT(QDVision)、SAMSUMG等方面的競爭是不容小視的。