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QLED新型器件将颠覆显示和照明技术

发布日期:2017-12-16 作者:LED 点击:

    去年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。

  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。


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