近日，浙江大學(xué)高新材料化學(xué)中心彭笑剛課題組和金一政課題組設(shè)計(jì)出一種新型的量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED），其制備方法基于低成本、有潛力應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)的溶液工藝，其綜合性能則超越了已知的所有溶液工藝的紅光器件，尤其是將使用亮度條件下的壽命推進(jìn)到10萬(wàn)小時(shí)的實(shí)用水平。這種新型QLED器件有望成為下一代顯示和照明技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。11月6日，相關(guān)工作的第一篇論文Solution-processed,high-performancelight-emittingdiodesbasedonquantumdots（基于溶液工藝的高性能量子點(diǎn)LED）在最新一期的《自然》雜志發(fā)表。
    
    這種新型的QLED使用的發(fā)光材料是可溶的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶（也叫量子點(diǎn)），這種高效的無(wú)機(jī)發(fā)光中心同時(shí)可以兼容溶液工藝。金一政說(shuō)：“采用溶液工藝制備光電器件具有高速度、低成本的優(yōu)勢(shì)，其制備過(guò)程有可能如同印刷報(bào)紙一樣簡(jiǎn)單高效，還有可能采用輕薄、柔性的塑料基板。”
    
    第三代LED
    
    LED是公認(rèn)的下一代顯示與照明技術(shù)的核心器件。彭笑剛介紹，新型的QLED是LED家族的第三代。第一代是當(dāng)前走入千家萬(wàn)戶的藍(lán)光LED器件（氮化鎵LED）配合稀土熒光粉，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了發(fā)明這一器件的科學(xué)家，頒獎(jiǎng)詞說(shuō)，“白熾燈點(diǎn)亮了20世紀(jì)，LED點(diǎn)亮了21世紀(jì)。”雖說(shuō)LED比白熾燈節(jié)能得多，但其制備過(guò)程相當(dāng)嚴(yán)苛，影響產(chǎn)品成本；第二代LED是誕生于上世紀(jì)70年代末的有機(jī)LED（OLED），生產(chǎn)方法基于真空熱蒸鍍，相對(duì)簡(jiǎn)單。目前，它已經(jīng)用在了手機(jī)等小尺寸的屏幕上。但這類器件的發(fā)光中心是有機(jī)分子，注定了其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性是一個(gè)難題，這直接影響到產(chǎn)品的壽命和良品率。
    
    用量子點(diǎn)做成的QLED則有望結(jié)合前兩代LED的優(yōu)勢(shì)，克服兩者劣勢(shì)。但自上世紀(jì)90年代以來(lái)，QLED的效率、壽命和加工工藝等綜合性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到人們美好期待。直至2013年，麻省理工學(xué)院和QD-Vision（基于MIT技術(shù)的創(chuàng)業(yè)公司）的科研人員宣布，他們?cè)O(shè)計(jì)制造的紅光QLED能達(dá)到18%的外發(fā)光效率，這一表現(xiàn)，在光效上拉近了QLED與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的距離，盡管器件壽命依然嚴(yán)重不足。
    
    突破QLED器件設(shè)計(jì)兩大難題
    
    彭笑剛認(rèn)為，要讓QLED達(dá)到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用水平，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：一是怎樣量身定制適用于LED的量子點(diǎn)材料；二是怎樣設(shè)計(jì)QLED的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最大的電光轉(zhuǎn)換效率。2012年夏天開(kāi)始，合成化學(xué)背景的彭笑剛和具有制備溶液工藝光電器件經(jīng)驗(yàn)的金一政等科學(xué)家開(kāi)始緊密合作，首先解決了量子點(diǎn)合成化學(xué)方面的問(wèn)題，然后，通過(guò)在器件中插入一層超薄絕緣層，很好的解決了載流子平衡注入這一困擾QLED領(lǐng)域多年的難題。
    
    算一算將電能轉(zhuǎn)換為光能的效率，這種QLED的內(nèi)量子效率已經(jīng)接近100%的理論極限，外量子效率則達(dá)到了20.5%，創(chuàng)造了新的世界記錄。加速疲勞測(cè)試結(jié)果表明，這種能夠低成本大規(guī)模生產(chǎn)的QLED可以達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)的峰值亮度。與目前最好的基于蒸鍍工藝的OLED相比，浙江大學(xué)新型QLED的性能也并不遜色。
    
    “麻省理工學(xué)院的技術(shù)路線部分采用了蒸鍍法制備QLED。這樣的技術(shù)路線的成本依然較高。我們希望QLED的光電性能在達(dá)到完美的情況下，能走低成本路線。”彭笑剛說(shuō)。得知這項(xiàng)研究成果，麻省理工學(xué)院研究QLED的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人VladimirBulovic教授評(píng)論，QLED的性能提升使得它們能在高能效的平板顯示領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時(shí)，QLED的溶液加工工藝與最新的加工技術(shù)相結(jié)合使得QLED具備大規(guī)模生產(chǎn)的前景。
    
    “通過(guò)工業(yè)設(shè)備的量化生產(chǎn)的使用，QLED的壽命還將超越實(shí)驗(yàn)室水平。”彭笑剛說(shuō)，“我們目前只是做了紅光QLED,下一步將發(fā)展其他顏色的高性能QLED。”
    
    這項(xiàng)工作得到了浙江大學(xué)高新化學(xué)中心、硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部、浙江省自然科學(xué)基金委和浙江省科技廳的資助與支持。
    
    (周煒)