平板顯示技術(shù)的新星——量子點發(fā)光二極管

供稿| 王海成，鄧玲，閆智然，魏鑫 / WANG Hai-cheng, DENG Ling, YAN Zhi-ran, WEI Xin

白熾燈，大家都知道是由電流通過燈絲加熱至白熾狀態(tài)產(chǎn)生光的一種光源，它是最早出現(xiàn)的電燈，1879年，美國的托馬斯·愛迪生制成了碳化纖維（即碳絲）白熾燈以來，經(jīng)人們對燈絲材料、燈絲結(jié)構(gòu)、充填氣體的不斷改進，白熾燈的發(fā)光效率也相應(yīng)提高。白熾燈是首個真正意義上的發(fā)光器件。但白熾燈的發(fā)光效率及其他光點參數(shù)比節(jié)能燈、鹵鎢燈等新光源差，正逐步被新光源取代。2012年10月1日起，中國禁止進口和銷售100瓦以上普通照明白熾燈。目前常用的平板顯示技術(shù)分為兩大類：液晶顯示（LCD，如圖1所示）與發(fā)光二極管顯示（lightemitting diode, LED，如圖2所示）。LED顯示又分為有機發(fā)光二極管（Organic Lighting Emitting Display，OLED）與量子點發(fā)光二極管（Quantum Dots Light-Emitting Diodes, QLED or QDLED ）顯示。

量子點材料是一種尺寸為1～20 nm的半導(dǎo)體團簇，又稱為半導(dǎo)體納米晶體。目前研究的量子點材料大部分由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成。量子點材料由于其納米級尺寸帶來了其獨特的量子限域效應(yīng)，表面效應(yīng)，體積效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)，介電限域效應(yīng)，庫倫阻塞效應(yīng)等而具有獨特的物理化學性質(zhì)[1]。利用半導(dǎo)體納米晶制成器件可以應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如平板顯示技術(shù)。

圖1 LCD及其結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 LED及其結(jié)構(gòu)示意圖

QLED產(chǎn)品能夠進行商業(yè)化生產(chǎn)并能同有機發(fā)光顯示屏（OLED）相競爭原因是什么？QLED 技術(shù)和OLED技術(shù)相比優(yōu)勢主要是在色彩和成本兩方面。一方面，制造OLED 時，需要使用一個“陰罩”，當屏幕尺寸變大時，陰罩板容易發(fā)生熱脹冷縮會使得色彩等不夠精確。而QLED 的制造過程不需要使用陰罩，因此不會出現(xiàn)精確度減少的問題。另外，量子點還可懸停在液體中，并使用多種技術(shù)讓其沉積，包括將其噴墨打印在非常薄的、柔性或者透明的襯底上。另一方面，OLED 還有一處不足，其純色需用彩色過濾器才能產(chǎn)生，而QLED 從一開始就能產(chǎn)生各種不同純色，也在將電子轉(zhuǎn)化為光子方面優(yōu)于OLED，因此能效更高，制造成本更低。在同等畫質(zhì)下，QLED 的節(jié)能性有望達到OLED 屏的2 倍，發(fā)光率將提升30%至40%。同時，OLED 可以達到與無機半導(dǎo)體材料一樣的穩(wěn)定性、可靠性[2]。

Yuji Araki等將CdSe納米量子點材料制成了LED器件，如圖2所示[3]。量子點材料是通過鍍膜法將納米量子點均勻地涂覆在電子傳導(dǎo)層和空穴傳導(dǎo)層之間，通過改變量子點的種類和尺寸來控制材料發(fā)射光譜的范圍。Au和In作為兩個電極,p-ZnTe以及n-ZnSe作為電子－空穴傳輸?shù)拿浇榉植加贑dSe納米量子點兩側(cè)，當在電極兩端接上電源時該器件就可以發(fā)射出綠色光。

簡單來說基于量子點制作的發(fā)光二極管就是QLED，有的又叫做QD-LED。QLED 屏幕能夠發(fā)光的根本因素是什么？這主要是由于量子點的特殊特征決定即當量子點受到電或光的刺激時便會發(fā)出有色光線，而光線的顏色又是由量子點的組成材料和大小形狀決定。因此通過控制量子點就能夠改變光源發(fā)出的光線顏色。

圖2 含有CdSe量子點的LED器件

事實上，早在數(shù)年之前，相關(guān)的研發(fā)人員就開始考慮將量子點發(fā)光的原理用于顯示設(shè)備上。QD Vision[4]公司與韓國LG 顯示器公司、比利時化學品公司Solvay 曾經(jīng)就想合作，研發(fā)和制造這種新的QLED 有源矩陣顯示屏。美國的Nanosys公司司也在研發(fā)相關(guān)新產(chǎn)品，其產(chǎn)品中的一個液晶顯示屏背光燈上有很多量子點，以提高能效和色質(zhì)。

索尼的Super LED屏幕(HTC 系智能手機)、三星的AMOLED 屏幕(三星系智能手機)、LG 的IPS 屏幕(蘋果系列產(chǎn)品)等等，都在各款智能手機以及平板電腦上大放光芒。三星電子研發(fā)出了全球第一款比現(xiàn)行的LCD出色的4英寸全彩色量子點顯示屏QLED，如圖3所示。這種新型的顯示屏比現(xiàn)行的LCD出色，也比三星正在使用的OLED更加優(yōu)良，并表示一段時間后將進行商用。不久之后，QD Vision公司也發(fā)表了4英寸全彩色量子點顯示屏QLED，如圖4所示。

中科院化學所有機固體院重點實驗室的科研人員與美國Ocean Nano Tech（大洋納米技術(shù)） 公司以及美國賓州州立大學合作，在半導(dǎo)體量子點發(fā)光二極管(QLED) 的研究方面取得重要進展，制備了可發(fā)紅、橙、黃、綠四種顏色光的QLED器件。

圖3 三星四英寸QLED

圖4 QD Vision公司的4英寸全彩色量子點顯示屏QLED

早期對于量子點的研究主要集中在CdSe為代表的二元化合物半導(dǎo)體納米晶上，然而二元化合物半導(dǎo)體納米材料含有有毒元素, 例如鎘、硒等，所以應(yīng)用范圍受限。以CuInS2量子點為代表的I-III-VI族半導(dǎo)體化合物已受到越來越多的研究者的注意。CuInS2屬于I-III-VI族半導(dǎo)體化合物材料, 不含任何有毒成分，有望成為新的對環(huán)境無污染的量子點發(fā)光二極管顯示材料。北京科技大學材料學院在量子點CuInS2方面做了一定的工作，（如圖5、圖6所示）所制備的CuInS2量子點有希望應(yīng)用于紅光激發(fā)的QLED器件。

圖5 量子點的PL光譜

讓我們總的來比較下LED,OLED,QLED。發(fā)光二極管( LED)因耗能低、光效較高、壽命長等優(yōu)點正逐步取代傳統(tǒng)的照明材料，成為新一代的照明光源。目前，熒光粉發(fā)光材料已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到白光LED 照明和顯示技術(shù)中，但是熒光粉的光衰大、顆粒均勻度差、使用壽命短，仍然不是最好的LED發(fā)光材料。OLED 也是目前的研究熱點，但其在高溫環(huán)境下高分子涂層易老化，使用壽命也受到一定影響。量子點發(fā)光二極管QLED技術(shù)的量子點比熒光粉的發(fā)光效率更高、使用壽命更長、顏色的純度更好，是繼OLED之后出現(xiàn)的又一新型LED，成為目前新型LED發(fā)光材料的研究熱點。

如此說來，QLED 技術(shù)是不是就完美無缺了呢?當然不是，QLED技術(shù)還沒有達到成熟。量子點發(fā)光二極管QLED產(chǎn)業(yè)化也面臨如下兩方面的問題[5]，其一是壽命問題。目前最好的QLED 壽命僅為1萬多小時（也就是一年多），即使用于手機等移動設(shè)備也遠遠不夠。其二是色彩持續(xù)問題。隨著使用時間的增加，OLED 屏幕會出現(xiàn)發(fā)光衰減的現(xiàn)象，需要確保色彩始終如一地再現(xiàn)有一定困難。美國QD Vision公司首席技術(shù)官賽斯·科沙利文表示，該公司這兩方面都取得了很大進步。2011年，據(jù)三星研發(fā)人員透露，QLED 最有可能的普及時機是兩至三年后。

圖6 不同反應(yīng)時間所制得量子點的透射電鏡（TEM）照片

QLED由于發(fā)光性能良好、使用壽命長等優(yōu)異的性能，勢必會取代傳統(tǒng)照明材料而成為新一代的“綠色”發(fā)光光源。

[1]Wood V, Panzer M J, Halpert J E, et al. Selection of metal oxide charge transport layers for colloidal quantum dots. ACS Nano, 2009,3(11): 3581-3586.

[2]張文君，許鍵，翟保才. 垂直結(jié)構(gòu)多色量子點LED(QD-LED)最新進展. 光學技術(shù), 2012, 38: 539-544.

[3]趙寅生，向衛(wèi)東，鐘家松，等.納米量子點材料在LED中的研究進展. 材料導(dǎo)報，2011（3）: 28-31.

[4]張樣. 最有希望成為下一代平板顯示器的QLED. 市場動態(tài)，2011,49 (7): 49-52.

[5]劉霞. 量子點顯示屏或?qū)⒊芍髁? 科技日報, 2010-12-15(001).