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。同時精巧地設計了結構，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鍵問題——要讓量子點發(fā)光二極管達到現(xiàn)實應用水平，一是怎樣量身定制適用于LED的量子點材料;二是怎樣設計其結構，以達到最大的電光轉換效率。

至關重要的量子點，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——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。