近年來，量子點因其量子限制效應(yīng)引起的突出光電特性而受到了廣泛的研究關(guān)注，例如窄發(fā)射波長、高光致發(fā)光量子產(chǎn)率（Photolumines-cence Quantum Yield，PLQY）、高色純度、長使用壽命等。鑒于這些優(yōu)勢，量子點材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、太陽能電池、光通信、檢測、激光等領(lǐng)域。此外，量子點材料能很好地兼容各類顯示技術(shù)，作為其全彩化顯示的色轉(zhuǎn)換材料，提升顯示器件的光學(xué)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(xué)術(shù)界被討論了許多年，而在不久前的10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，2023年諾貝爾化學(xué)獎授予三位探索納米和量子點領(lǐng)域的科學(xué)家：美籍法國–突尼斯裔化學(xué)家蒙吉G.巴文迪（MoungiG.Bawendi），美國化學(xué)家路易斯E.布魯斯（LouisE.Brus）和俄羅斯物理學(xué)家阿列克謝I.葉基莫夫（AlexeiI.Ekimov），以表彰他們在“量子點的發(fā)現(xiàn)和合成”方面的貢獻(xiàn)。諾貝爾獎的頒布帶動了量子點材料的關(guān)注度，有望進一步推動其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，使其在更多領(lǐng)域發(fā)揮價值。

什么是量子點（Quantum dot,QD）？

量子點又稱為“半導(dǎo)體納米晶”，是納米級別的半導(dǎo)體材料，由有限數(shù)目的原子組成，三個維度尺寸均在納米數(shù)量級，一般為球形或類球形，穩(wěn)定直徑在2~10 nm。通過對這種納米半導(dǎo)體材料施加一定的電場或光壓，它們便會發(fā)出特定頻率的光，而發(fā)出的光的頻率會隨著這種半導(dǎo)體的尺寸的改變而變化，因而通過調(diào)節(jié)這種納米半導(dǎo)體的尺寸就可以控制其發(fā)出的光的顏色，由于這種納米半導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(zhì)的量子點。

典型球形量子點結(jié)構(gòu)圖

目前，鎘基的量子點已經(jīng)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(jīng)進入了應(yīng)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(dāng)前一個熱門的研究體系，但鈣鈦礦量子點的穩(wěn)定性仍然是一個問題。當(dāng)前的量子點材料大多為量子點試劑，粉體類量子點有產(chǎn)家在研發(fā)、制備，但目前未能商業(yè)化。

量子點材料的應(yīng)用情況

量子點材料問世之初，就有學(xué)者根據(jù)量子點獨特的光電特性預(yù)測，其主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹紫燃性?/span>電子與光學(xué)方面。事實上，率先推動了量子點技術(shù)落地的領(lǐng)域，正是顯示產(chǎn)業(yè)。2013年，日本索尼公司率先發(fā)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(fā)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(lǐng)域一個新興的技術(shù)流派。此后，量子點材料廣泛應(yīng)用于國內(nèi)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(dāng)前顯示技術(shù)的優(yōu)勢

根據(jù)發(fā)光原理，量子點又分為光致發(fā)光量子點(QD-LCD)和電致發(fā)光量子點(QLED)，前者是受到外界光源的刺激獲得能量而產(chǎn)生發(fā)光的過程，后者則是通過加在兩電極的電壓產(chǎn)生電場，被電場激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心，從而導(dǎo)致電子在能級間的躍遷變化而發(fā)光的過程。換言之，電致發(fā)光(QLED)屬于主動顯示，不需要背光源，光致發(fā)光(QD-LCD)屬于被動顯示，是量子點背光技術(shù)與傳統(tǒng)液晶顯示相結(jié)合的產(chǎn)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(shè)備、工藝等方面的瓶頸尚未突破，因而QLED真正產(chǎn)業(yè)化尚需時日。目前商業(yè)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(fā)光原理，即量子點背光液晶顯示器（QD-LCD)。

QD-LCD為傳統(tǒng)液晶電視的升級版

因此，量子點顯示仍處于初級發(fā)展階段，量子點材料在高性能顯示設(shè)備方面的應(yīng)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(fā)光穩(wěn)定性等；其次，需要解決量子點的固態(tài)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(tài)基材中，減少量子點的團聚現(xiàn)象；最后，針對量子點在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用，還需要開發(fā)高效的方法制備具有高圖形精度、高分辨率、高顏色轉(zhuǎn)換效率的量子點RGB陣列色轉(zhuǎn)換層。

當(dāng)前對于量子點顯示的相關(guān)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(shù)的研究現(xiàn)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(xué)性質(zhì)是由其組成、大小、形狀和晶體結(jié)構(gòu)決定的。量子點的熒光發(fā)射與它們的表面性質(zhì)（如表面缺陷）和分散穩(wěn)定性密切相關(guān)。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(wěn)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(fù)合、晶體包覆和核殼結(jié)構(gòu)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(xué)試劑的抗性較差，且量子點作為LED顯示應(yīng)用的色轉(zhuǎn)換材料時，需要將其附著于芯片上制成穩(wěn)定的RGB色轉(zhuǎn)換涂層。為了便于進一步加工及應(yīng)用，通常需要使用固態(tài)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(tài)基材之間相容性的影響，直接復(fù)合容易出現(xiàn)量子點分散不均勻、大量團聚等問題，從而導(dǎo)致量子點的光學(xué)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(dāng)量子點暴露在大氣、水蒸氣中時，量子點發(fā)光性能會迅速下降。量子點穩(wěn)定性差的難題一直制約著其實際應(yīng)用的發(fā)展。將量子點分散在聚合物基質(zhì)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(wěn)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(fù)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(fā)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(wǎng)絡(luò)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(zhì)內(nèi)原位成核/生長量子點的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可以增強對量子點的鈍化效果。

得益于其緊湊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和低化學(xué)活性，無機玻璃基質(zhì)可被視為半導(dǎo)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(huán)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(wěn)定性。不過目前無機玻璃內(nèi)原位生長量子點的發(fā)光性能還不能與聚合物封裝相媲美，這對其實際應(yīng)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(fù)合材料制成薄膜或者其他形式的涂層并應(yīng)用于器件時，尤其是LED顯示等商業(yè)應(yīng)用，對于量子點的PLQY、發(fā)光穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等性能的要求較高，因此需要對量子點器件的發(fā)光性能做進一步的提升。

微結(jié)構(gòu)能使器件獲得特定的光學(xué)作用效果，使其發(fā)光性能得到進一步提升。此外，某些結(jié)構(gòu)的引入還能使復(fù)合材料的發(fā)光穩(wěn)定性、分散性等獲得提升。

采用結(jié)構(gòu)設(shè)計提高量子點材料的發(fā)光性能

4.量子點的圖案化制造

隨著信息時代的發(fā)展，微型LED器件市場逐漸擴大，對高性能顯示設(shè)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(rèn)為是最有希望的下一代顯示技術(shù)，其中實現(xiàn)全彩化微型LED的一個重要途徑是采用圖案化量子點色轉(zhuǎn)換層。

量子點Micro-LED芯片

目前圖案化量子點的具體應(yīng)用主要有3個方向，分別為以LCD技術(shù)為基礎(chǔ)的量子點色彩增強膜、RGB量子點電致發(fā)光LED以及LED色轉(zhuǎn)換層。

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

RGB量子點電致發(fā)光LED原理及結(jié)構(gòu)與有機LED（OLED）和鈣鈦礦LED（PeLED）類似，只是發(fā)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(shù)，因此當(dāng)需要將其RGB像素化應(yīng)用于顯示領(lǐng)域時，需要使用其他技術(shù)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(xiàn)RGB全彩顯示的重要技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)印。

圖案化量子點層的制備工藝

總結(jié)

量子點顯示技術(shù)目前雖然是一門新興技術(shù)，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(shù)。目前技術(shù)仍面臨著大量技術(shù)難題，其制造難度較 大，工藝穩(wěn)定性不足，良品率較低，成本較高，難以進一步拓展商業(yè)化應(yīng)用，主要面臨著芯片缺陷、巨量轉(zhuǎn)移、面板鍵結(jié)、全彩化顯示等難題。當(dāng)然，量子點顯示只是一道“開胃菜”，由于量子點具有穩(wěn)定的發(fā)光特性使其成為很好的熒光標(biāo)記材料，也在生物監(jiān)測和醫(yī)學(xué)成像方面得到更好的應(yīng)用，還有柔性電子產(chǎn)品、微型傳感器、更薄的太陽能電池和加密量子通信等領(lǐng)域。正如諾貝爾獎官網(wǎng)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(yīng)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(zhuǎn)化LED封裝的進展與展望，朱永明、謝斌、羅小兵（科學(xué)通報）。

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