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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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