量子點材料:現狀、機遇和挑戰

    
    （QLED器件示意圖）
    
    一類明星材料———量子點
    
    量子點屬於一大類新材料——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，量子點是其中馬上具有突破性工業應用的材料。
    
    與其他納米晶材料不同，量子點是以半導體晶體為基礎的。尺寸在1~100納米之間，每一個粒子都是單晶。量子點的名字，來源於半導體納米晶的量子限域效應，或者量子尺寸效應。當半導體晶體小到納米尺度（1納米大約等於頭髮絲寬度的萬分之一），不同的尺寸就可以發出不同顏色的光。比如硒化鎘這種半導體納米晶，在2納米時發出的是藍色光，到8納米的尺寸時發出的就是紅色光，中間的尺寸則呈現綠色黃色橙色等等。量子點的化學成分，發光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區，而且色純度高、連續可調。
    
    量子點可以應用在生物醫療領域。我們能用量子點把細胞的骨架完全顯示出來。與其它種類的檢測手段相比，量子點發光材料做檢測肯定是有優勢的。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。
    
    量子點也能應用於照明產業。目前照明消耗的能量大致相當於電能的20%。但人造光源的光效率是很低的。例如，照明質量高的白熾燈，光效只有2%。如果能把效率提高到20%，就意味著能節省能源消耗的20%。美國能源部的固態照明路線圖寫了一段話：量子點在人類照明領域將起到重要作用。
    
    另外，還有顯示產業。目前的第一代量子點顯示設備，是氮化鎵LED與量子點結合的背光源產品，納晶公司和美國兩家高科技公司都已經進入商業化階段。這種新型的背光源，讓顯示顏色的純度、色飽和度很高，是其它顯示技術難以企及的。據我所知，國內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。
    
    從發端到熱潮
    
    量子點領域的發端，大約在70年代末。當時，西方國家的化學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換系統。借鑑半導體太陽能電池的原理，化學家們開始嘗試著在溶液中製備半導體小晶體，並研究它們的光電性質。有代表性的人物，包括美國的BARD和BRUS、前蘇聯的Ekimov、德國的HENGLEIN等。
    
    在實驗室裡，研究人員發現了一個非常奇怪的現象。比如，硫化鉛的大塊單晶總是大家熟悉的黑色，但是，化學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。到底發生了什麼奇怪的事情？
    
    最後，美國科學家BRUS、前蘇聯的E-FROS給出了一個漂亮的解釋，這就是「量子限域效應」理論。他們倆的文章發表時間有些不同，但由於前蘇聯的隔離，彼此並不知道對方的工作。
    
    目前為止，這個領域還是化學家在起主導作用，合成出性能達到要求的量子點還是該領域最關鍵的事情。1990年以前，合成方法都是基於傳統的製備膠體小粒子的化學方法，例如共沉澱、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範圍內，但光學性能非常差，基本上不發光。
    
    量子點研究在1990年到1993年之間發生了一件非常重要的事情，出現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明，它以具有高毒性、非常不穩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量硒化鎘。這對於整個領域具有裡程碑式意義。但是，這同時也給領域留下來一個挑戰。他們用的原料，是從「金屬有機氣相沉積」借鑑而來，其中的二甲基鎘是爆炸性的，即使是室溫也不穩定，而且毒性很大，成本很高。這些因素，導致在後來10年間，這個領域發展並不快，而且只能做一種材料。
    
    後來我到了阿肯色大學，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了全世界的實驗室。只要有一個普通的化學合成實驗室就可以做，在中國也可以做。接下來，我們系統探索了量子點生長機理，使得相對高質量的量子點的範圍也逐步擴大到其它種類半導體。由於這些原因，這條「綠色」路線很快在全世界推廣，包括工業界和學術界。
    
    我認為，科學研究分兩類，分別是「前瞻性探索」和「系統性攻關」。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的工作則更接近系統性攻關。科學研究面對的未知世界、不像考試一樣有標準答案。因此，我們既不能否定前瞻性探索、也不應該看不起系統性攻關。目前中國科學研究有過於看重前者的傾向，對科學熱點過於關注。
    
    顛覆性進展
    
    回到浙江大學後，我慢慢認識到量子點合成化學真正的核心問題是激發態控制。這是因為，作為發光材料，其性能的實現只能在激發態。而對於傳統的合成化學，化學家只關心基態。基於這個新認識，我們採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，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，我們已經看到了第一個帶有顛覆性意義的量子點應用。那就是性能優異的量子點LED（QLED）。在申請了專利後，我們把相關的第一篇文章投給了Natue雜誌。已經在線發表。
    
    發光二極體（LED）正在改變我們的生活，在照明和顯示領域的節能效果已經得到公認，這就是今年諾貝爾物理獎（氮化鎵藍光LED）的基礎。氮化鎵藍光LED已經大面積量產，相關智慧財產權被日本、美國、歐洲公司牢牢控制了。但是，氮化鎵藍光LED的技術，是基於在藍寶石單晶襯底上外延生長多層半導體單晶，要求高真空設備、超高純度原料、製備過程能量消耗大。因此，其基礎成本大。
    
    如果量子點合成達到了LED光電性能的要求，那麼，量子點LED有望結合氮化鎵LED和OLED兩者的優勢。我們近期的這個工作，證實了這個設想。Nature的審稿人給出了幾個指標，讓我們與OLED和其它溶液加工LED做一個橫向比較。結果表明，儘管我們的QLED是在相對簡陋的條件下用溶液法製備的，但我們的器件幾乎全面勝出。
    
    LED也是照明產業的核心器件。但是和太陽光比較，現在的白光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，已經有一些醫學證據表明是不利的。另外，現行白光LED發熱比較明顯，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，更加接近於自然光，並且發熱大大減少。我們最近工作的進展表明，有一天量子點LED將為照明產業做出貢獻。量子點這個領域，目前已經發展到了需要高深、更系統、更集成（或者更交叉）的水平。我們的QLED技術，目前處於國際領先地位、並確立了自己的智慧財產權。但是，來自MIT（QDVision）、SAMSUMG等方面的競爭是不容小視的。
    
    （周煒根據在2014 湯森路透《2014 研究前沿》發布暨科學家論壇上的報告整理，有刪節）2014-12-26