近日，浙江大學高新材料化學中心彭笑剛課題組和金一政課題組設計出一種新型的量子點發(fā)光二極管（QLED），其制備方法基于低成本、有潛力應用于大規(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到10萬小時的實用水平。這種新型QLED器件有望成為下一代顯示和照明技術的有力競爭者。11月6日，相關工作的第一篇論文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)光材料是可溶的無機半導體納米晶（也叫量子點），這種高效的無機發(fā)光中心同時可以兼容溶液工藝。金一政說：“采用溶液工藝制備光電器件具有高速度、低成本的優(yōu)勢，其制備過程有可能如同印刷報紙一樣簡單高效，還有可能采用輕薄、柔性的塑料基板。”
    
    第三代LED
    
    LED是公認的下一代顯示與照明技術的核心器件。彭笑剛介紹，新型的QLED是LED家族的第三代。第一代是當前走入千家萬戶的藍光LED器件（氮化鎵LED）配合稀土熒光粉，今年的諾貝爾物理學獎授予了發(fā)明這一器件的科學家，頒獎詞說，“白熾燈點亮了20世紀，LED點亮了21世紀。”雖說LED比白熾燈節(jié)能得多，但其制備過程相當嚴苛，影響產(chǎn)品成本；第二代LED是誕生于上世紀70年代末的有機LED（OLED），生產(chǎn)方法基于真空熱蒸鍍，相對簡單。目前，它已經(jīng)用在了手機等小尺寸的屏幕上。但這類器件的發(fā)光中心是有機分子，注定了其熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性是一個難題，這直接影響到產(chǎn)品的壽命和良品率。
    
    用量子點做成的QLED則有望結合前兩代LED的優(yōu)勢，克服兩者劣勢。但自上世紀90年代以來，QLED的效率、壽命和加工工藝等綜合性能還遠遠不能達到人們美好期待。直至2013年，麻省理工學院和QD-Vision（基于MIT技術的創(chuàng)業(yè)公司）的科研人員宣布，他們設計制造的紅光QLED能達到18%的外發(fā)光效率，這一表現(xiàn)，在光效上拉近了QLED與現(xiàn)實應用的距離，盡管器件壽命依然嚴重不足。
    
    突破QLED器件設計兩大難題
    
    彭笑剛認為，要讓QLED達到現(xiàn)實應用水平，有兩個關鍵問題需要解決：一是怎樣量身定制適用于LED的量子點材料；二是怎樣設計QLED的結構，以達到最大的電光轉換效率。2012年夏天開始，合成化學背景的彭笑剛和具有制備溶液工藝光電器件經(jīng)驗的金一政等科學家開始緊密合作，首先解決了量子點合成化學方面的問題，然后，通過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領域多年的難題。
    
    算一算將電能轉換為光能的效率，這種QLED的內量子效率已經(jīng)接近100%的理論極限，外量子效率則達到了20.5%，創(chuàng)造了新的世界記錄。加速疲勞測試結果表明，這種能夠低成本大規(guī)模生產(chǎn)的QLED可以達到10萬小時的峰值亮度。與目前最好的基于蒸鍍工藝的OLED相比，浙江大學新型QLED的性能也并不遜色。
    
    “麻省理工學院的技術路線部分采用了蒸鍍法制備QLED。這樣的技術路線的成本依然較高。我們希望QLED的光電性能在達到完美的情況下，能走低成本路線。”彭笑剛說。得知這項研究成果，麻省理工學院研究QLED的團隊負責人VladimirBulovic教授評論，QLED的性能提升使得它們能在高能效的平板顯示領域得到應用。同時，QLED的溶液加工工藝與最新的加工技術相結合使得QLED具備大規(guī)模生產(chǎn)的前景。
    
    “通過工業(yè)設備的量化生產(chǎn)的使用，QLED的壽命還將超越實驗室水平。”彭笑剛說，“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。”
    
    這項工作得到了浙江大學高新化學中心、硅材料國家重點實驗室、國家自然科學基金委、國家科技部、浙江省自然科學基金委和浙江省科技廳的資助與支持。
    
    (周煒)