近年來，量子點因其量子限制效應引起的突出光電特性而受到了廣泛的研究關注，例如窄發射波長、高光致發光量子產率（Photolumines-cence Quantum Yield，PLQY）、高色純度、長使用壽命等。鑒于這些優勢，量子點材料已經廣泛應用于生物醫學、太陽能電池、光通信、檢測、激光等領域。此外，量子點材料能很好地兼容各類顯示技術，作為其全彩化顯示的色轉換材料，提升顯示器件的光學性能。

說到量子點，想必很多朋友跟小編一樣，覺得這個名詞如雷貫耳但對具體概念理解得十分模糊，這類神奇的新材料在學術界被討論了許多年，而在不久前的10月4日，瑞典皇家科學院宣布，2023年諾貝爾化學獎授予三位探索納米和量子點領域的科學家：美籍法國–突尼斯裔化學家蒙吉G.巴文迪（MoungiG.Bawendi），美國化學家路易斯E.布魯斯（LouisE.Brus）和俄羅斯物理學家阿列克謝I.葉基莫夫（AlexeiI.Ekimov），以表彰他們在“量子點的發現和合成”方面的貢獻。諾貝爾獎的頒布帶動了量子點材料的關注度，有望進一步推動其產業化發展，使其在更多領域發揮價值。

什么是量子點（Quantum dot,QD）？

量子點又稱為“半導體納米晶”，是納米級別的半導體材料，由有限數目的原子組成，三個維度尺寸均在納米數量級，一般為球形或類球形，穩定直徑在2~10 nm。通過對這種納米半導體材料施加一定的電場或光壓，它們便會發出特定頻率的光，而發出的光的頻率會隨著這種半導體的尺寸的改變而變化，因而通過調節這種納米半導體的尺寸就可以控制其發出的光的顏色，由于這種納米半導體擁有限制電子和電子空穴的特性，這一特性類似于自然界中的原子或分子，因而被稱為量子點，也即一種“人工原子”。

量子點溶液(左)及量子點結構組成(右)

常見的量子點由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素組成，具體的例子有硅量子點、鍺量子點、硫化鎘量子點、硒化鎘量子點、碲化鎘量子點、硒化鋅量子點、硫化鉛量子點、硒化鉛量子點、磷化銦量子點和砷化銦量子點等。通過在合成中搭配不同的元素和配體，可以得到不同形貌和性質的量子點。

典型球形量子點結構圖

目前，鎘基的量子點已經證明具有極好的性能，由鎘、鋅、硒、硫等元素組成的量子點已經進入了應用階段。同時，無鎘量子點如InP也在研究進展過程中；鈣鈦礦量子點也是當前一個熱門的研究體系，但鈣鈦礦量子點的穩定性仍然是一個問題。當前的量子點材料大多為量子點試劑，粉體類量子點有產家在研發、制備，但目前未能商業化。

量子點材料的應用情況

量子點材料問世之初，就有學者根據量子點獨特的光電特性預測，其主要應用領域將首先集中在電子與光學方面。事實上，率先推動了量子點技術落地的領域，正是顯示產業。2013年，日本索尼公司率先發布了量子點背光源的液晶電視，使液晶顯示（LCD）再次具備與有機發光二極管（OLED）一競高下的實力，延長了液晶電視的“花期”。此后，三星、TCL等品牌相繼推出搭載量子點背光的液晶電視，“量子點電視”成為彩電領域一個新興的技術流派。此后，量子點材料廣泛應用于國內外中高端液晶電視、顯示器、筆記本、平板電腦中，使顯示屏可以更柔性、像素更密、色域更寬。

量子點電視對比當前顯示技術的優勢

根據發光原理，量子點又分為光致發光量子點(QD-LCD)和電致發光量子點(QLED)，前者是受到外界光源的刺激獲得能量而產生發光的過程，后者則是通過加在兩電極的電壓產生電場，被電場激發的電子碰擊發光中心，從而導致電子在能級間的躍遷變化而發光的過程。換言之，電致發光(QLED)屬于主動顯示，不需要背光源，光致發光(QD-LCD)屬于被動顯示，是量子點背光技術與傳統液晶顯示相結合的產物。

QLED的顯示原理與OLED類似，然而囿于量子點材料的特性，QLED器件只能通過噴墨打印等濕法工藝來制備，目前在設備、工藝等方面的瓶頸尚未突破，因而QLED真正產業化尚需時日。目前商業化的量子點顯示器，市面上號稱為“QLED”的電視基本都是基于光致發光原理，即量子點背光液晶顯示器（QD-LCD)。

QD-LCD為傳統液晶電視的升級版

因此，量子點顯示仍處于初級發展階段，量子點材料在高性能顯示設備方面的應用仍具有不少問題亟待解決。

首先，需要進一步提升量子點自身的性能，如PLQY、發光穩定性等；其次，需要解決量子點的固態基材封裝問題，即需要盡可能地將量子點均勻分散于如聚合物等固態基材中，減少量子點的團聚現象；最后，針對量子點在顯示領域的應用，還需要開發高效的方法制備具有高圖形精度、高分辨率、高顏色轉換效率的量子點RGB陣列色轉換層。

當前對于量子點顯示的相關研究主要集中在量子點材料、封裝涂層、涂層熒光增強策略、圖案化制造4個層面。

量子點技術的研究現狀及改進

1.量子點材料的改進

通常，量子點核心的光物理過程和光學性質是由其組成、大小、形狀和晶體結構決定的。量子點的熒光發射與它們的表面性質（如表面缺陷）和分散穩定性密切相關。因此，如何通過改進、修飾量子點材料提高量子點的光色、水氧穩定性等性能、并進一步賦予量子點其他獨特的性能，是一個重要的研究方向。

目前，改進量子點材料的方法主要分為表面配體、介孔復合、晶體包覆和核殼結構4種方式。

量子點材料的改進方法

2.量子點封裝涂層

量子點材料對水氧及化學試劑的抗性較差，且量子點作為LED顯示應用的色轉換材料時，需要將其附著于芯片上制成穩定的RGB色轉換涂層。為了便于進一步加工及應用，通常需要使用固態基材將量子點進行封裝，例如聚合物、纖維素、凝膠及無機粒子等。

但是，由于量子點表面的配體與各種固態基材之間相容性的影響，直接復合容易出現量子點分散不均勻、大量團聚等問題，從而導致量子點的光學性能有所下降。目前，量子點涂層封裝主要分為聚合物封裝和無機封裝兩種方式。

（1）聚合物封裝

當量子點暴露在大氣、水蒸氣中時，量子點發光性能會迅速下降。量子點穩定性差的難題一直制約著其實際應用的發展。將量子點分散在聚合物基質中能有效地將量子點與水氧隔離，防止量子點的聚集，使量子點具有較高的穩定性。

例如采用3種常見的聚合物：聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)與量子點進行復合，此外，還可以將量子點封裝至纖維素納米晶體中，制成量子點紙。

量子點聚合物封裝示意圖

（2）無機封裝

量子點材料由于其固有的離子晶體特性和較低的生成能，在外界刺激（如水、光和熱）下通常會發生降解并與不同組成的混合物的顏色分離。無機非晶玻璃網絡具有豐富的間隙空間，可以容納量子點晶格。此外，在玻璃基質內原位成核/生長量子點的納米復合結構可以增強對量子點的鈍化效果。

得益于其緊湊的網絡結構和低化學活性，無機玻璃基質可被視為半導體量子點的理想主體，可以給易于降解的量子點的表面提供保護絕緣層，不僅保護量子點免受外部環境的影響，而且有效地阻止了量子點團聚，從而顯著提高了量子點的穩定性。不過目前無機玻璃內原位生長量子點的發光性能還不能與聚合物封裝相媲美，這對其實際應用仍然是一個巨大的障礙。

3.量子點涂層熒光增強策略

將量子點復合材料制成薄膜或者其他形式的涂層并應用于器件時，尤其是LED顯示等商業應用，對于量子點的PLQY、發光穩定性、化學穩定性等性能的要求較高，因此需要對量子點器件的發光性能做進一步的提升。

微結構能使器件獲得特定的光學作用效果，使其發光性能得到進一步提升。此外，某些結構的引入還能使復合材料的發光穩定性、分散性等獲得提升。

采用結構設計提高量子點材料的發光性能

4.量子點的圖案化制造

隨著信息時代的發展，微型LED器件市場逐漸擴大，對高性能顯示設備的需求不斷增長。微型LED（Mini-LED和Micro-LED）因其色域范圍廣、亮度高、可靠性好、微型化和高功率效率等特點，被認為是最有希望的下一代顯示技術，其中實現全彩化微型LED的一個重要途徑是采用圖案化量子點色轉換層。

量子點Micro-LED芯片

目前圖案化量子點的具體應用主要有3個方向，分別為以LCD技術為基礎的量子點色彩增強膜、RGB量子點電致發光LED以及LED色轉換層。

以LCD技術為基礎的量子點色彩增強膜即上述商業化的QD-LCD技術，通過在面板中增添一層對應的RGB圖案化量子點層來增強其色域等光學性能，是一種較為簡單的對LCD技術進行提升的方法。

RGB量子點電致發光LED原理及結構與有機LED（OLED）和鈣鈦礦LED（PeLED）類似，只是發光層材料使用的是量子點材料。但是由于量子點材料無法像OLED一樣使用蒸鍍技術，因此當需要將其RGB像素化應用于顯示領域時，需要使用其他技術對量子點材料進行圖案化處理。

目前，將量子點材料與LED組合是實現RGB全彩顯示的重要技術方案，這需要將量子點材料按照RGB三色圖案化、陣列化，并制作成顏色轉換器與LED陣列裝配或者涂覆于LED器件上，因此制造圖案化的量子點層已成為一個熱門的研究點。

圖案化量子點層的工藝方法主要有3個派系：噴涂、光刻以及轉印。

圖案化量子點層的制備工藝

總結

量子點顯示技術目前雖然是一門新興技術，但顯示出極大的潛力，非常有望成為下一代市場上的主力顯示技術。目前技術仍面臨著大量技術難題，其制造難度較 大，工藝穩定性不足，良品率較低，成本較高，難以進一步拓展商業化應用，主要面臨著芯片缺陷、巨量轉移、面板鍵結、全彩化顯示等難題。當然，量子點顯示只是一道“開胃菜”，由于量子點具有穩定的發光特性使其成為很好的熒光標記材料，也在生物監測和醫學成像方面得到更好的應用，還有柔性電子產品、微型傳感器、更薄的太陽能電池和加密量子通信等領域。正如諾貝爾獎官網介紹材料中所說，我們才剛剛開始探索量子點的潛力。

參考來源：

1.量子點LED顯示研究進展：材料、封裝涂層、圖案化顯示應用，李宗濤、李杰鑫、鄭家龍、李家聲、季洪雷、丁鑫銳（液晶與顯示）；

2.量子點轉化LED封裝的進展與展望，朱永明、謝斌、羅小兵（科學通報）。

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