量子點材料領(lǐng)域?qū)＠暾埇F(xiàn)狀分析

一、引言

量子點材料是一種零維結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，尺寸大小通常為1～100nm。依據(jù)量子力學(xué)理論，量子點中的載流子在3個維度方向上的能量都是量子化的，表現(xiàn)出的物理行為與原子極為相似，因此又被稱為“人工原子”。隨著材料維度的降低和結(jié)構(gòu)特征尺寸的減小，量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、表面效應(yīng)、庫倫阻塞效應(yīng)以及多體關(guān)聯(lián)和非線性光學(xué)效應(yīng)都會表現(xiàn)得越來越明顯。量子點材料展現(xiàn)出的不同于宏觀材料的物理化學(xué)性質(zhì)，使其在微電子、光電子、超高密度存儲、超大規(guī)模集成電路、生命科學(xué)、量子計算、信息科學(xué)、能源環(huán)境科學(xué)中具有極大的應(yīng)用潛能。在基礎(chǔ)研究方面，基于量子點的納米微電子、光電子器件具有超高速、超高頻、高集成度、高效低功率和極低閾值電流密度、極高量子效率、高調(diào)制速度等眾多優(yōu)點，量子點材料在未來的納米電子學(xué)、光子學(xué)、光電集成以及ULSI等方面的應(yīng)用前景，極有可能在信息技術(shù)領(lǐng)域觸發(fā)新的技術(shù)革命。在實際應(yīng)用方面，量子點作為一種新型的熒光材料，相比于傳統(tǒng)的熒光染料，具有更加優(yōu)良的熒光發(fā)射性質(zhì)。激發(fā)光譜連續(xù)分布，發(fā)射光譜高度對稱且狹窄，熒光峰位置可隨量子點的物理尺寸和化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)控。近年來，隨著量子點制備技術(shù)的不斷提高，其作為熒光材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和圖像顯示領(lǐng)域[1-3]。

本文針對量子點材料這一技術(shù)領(lǐng)域，選用中國專利文摘數(shù)據(jù)庫、德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫，對該技術(shù)領(lǐng)域的國內(nèi)外專利申請進(jìn)行檢索和統(tǒng)計分析，得出該領(lǐng)域?qū)＠暾埛植记闆r和發(fā)展趨勢，以供相關(guān)企業(yè)和相關(guān)研究人員參考。

二、量子點材料領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)現(xiàn)狀

1.國內(nèi)專利申請總體情況

截至2016年6月底，國家知識產(chǎn)權(quán)局受理的量子點材料領(lǐng)域的發(fā)明和實用新型專利申請共5 500余件，其中，發(fā)明專利占比高達(dá)95%，一方面是由于對材料本身的改進(jìn)只能通過發(fā)明的形式進(jìn)行專利保護(hù)，另一方面也反映了量子點材料領(lǐng)域整體上屬于技術(shù)含量較高的領(lǐng)域。圖1為國內(nèi)專利申請的申請人國別分布，其中，有79%來自國內(nèi)申請人，9%來自日本公司，11%來自韓國、日本、荷蘭、英國等其他國家和地區(qū)。國內(nèi)申請人所申請的專利中，來自高校、研究所等科研單位的申請量超過了2/3。這表明國內(nèi)申請人，特別是國內(nèi)科研院校和研究所，在量子點材料技術(shù)領(lǐng)域具備了一定的研發(fā)能力，并且已經(jīng)意識到量子點材料具有巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的市場前景，從而在國內(nèi)專利申請的數(shù)量上取得了可喜的成績。

2.專利申請量的年度分布

關(guān)于量子點材料的研究最初起始于20世紀(jì)80年代，以貝爾實驗室和約飛研究所的2個研究團(tuán)隊為代表，研究發(fā)現(xiàn)不同尺寸的硫化鎘可以產(chǎn)生不同的熒光。該結(jié)果不僅給予了量子限域效應(yīng)實驗上的支持，并在一定程度上解釋了量子點尺寸和熒光之間的關(guān)系，同時為量子點的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1988年2月，飛利浦電子及相關(guān)實業(yè)有限公司在英國、歐洲、日本提交了名為“一種形成量子點結(jié)構(gòu)的方法”的發(fā)明專利申請，該方法采用具有特定波長的激光照射半導(dǎo)體材料粒子的膠體懸浮液，使半導(dǎo)體粒子在基板上沉積形成量子點，該申請為全球第1份有關(guān)量子點材料的專利申請。國內(nèi)第1份有關(guān)量子點材料的專利申請為南京大學(xué)的陳坤基團(tuán)隊于1992年9月向國家知識產(chǎn)權(quán)局提交的名為“可見光致發(fā)光的硅量子點的制備方法”的發(fā)明專利申請，該方法采用等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)和激光掃描輻照技術(shù)來制備晶化硅量子點，并在室溫下觀察到了可見波段的光致發(fā)光，該申請于1994年底獲得授權(quán)。

圖2示出了量子點材料領(lǐng)域中國和全球?qū)＠暾埩康闹鹉曜兓闆r。20世紀(jì)90年代之前為萌芽階段，量子點材料還處于起步探索階段，全球?qū)＠晟暾埩刻幱趥€位數(shù)。20世紀(jì)90年代為起步階段，越來越多的研究者意識到量子點材料的應(yīng)用前景，紛紛投身于量子點材料的科學(xué)研究，表現(xiàn)在全球?qū)＠晟暾埩康脑黾樱@一階段的申請多側(cè)重于各種量子點材料的自身結(jié)構(gòu)及其制備工藝，關(guān)于量子點材料在各具體領(lǐng)域的實際應(yīng)用的申請比例較少。而這期間，國內(nèi)提交的專利申請總量為個位數(shù)，全部來自國內(nèi)高校和日本公司，反映了國內(nèi)對于量子點材料的研究起步略晚，特別是這一時期國內(nèi)企業(yè)還沒有開始意識到量子點材料的廣泛應(yīng)用前景。21世紀(jì)以來，量子點技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段，國內(nèi)和全球的專利申請量穩(wěn)步增加，國內(nèi)專利申請量更是在2010年后呈現(xiàn)出了爆發(fā)式上升的勢頭，由2000年的13件增長到2010年的333件，到2015年更是突破了1 000件。究其原因，一方面，在相關(guān)國內(nèi)政策的扶持下，科研單位進(jìn)一步加大了對量子點材料研究的投入；另一方面，隨著量子點制備技術(shù)的改良和熒光性能的提高，量子點材料作為一種新型熒光材料，在生物醫(yī)學(xué)、顯示技術(shù)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，越來越多的企業(yè)也開始在這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)。2010年開始，越來越多的液晶顯示器制造企業(yè)將量子點材料應(yīng)用于液晶顯示屏的背光，以提高彩色顯示的能效和色質(zhì)，也在一定程度上導(dǎo)致了2010年后量子點材料領(lǐng)域?qū)＠暾埩康娘w躍式增長。

3.全球?qū)＠暾埩繃遗琶?/p>

量子點領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩康膰曳植家妶D3所示，中國、美國、韓國的國家申請量排名前3，其中，中國的申請公開量超過5 000件，幾乎是位于第2名的美國申請量的2倍，是目前唯一一個申請量超過5 000件的申請國?？梢?，各國相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)都把中國作為未來量子點材料領(lǐng)域競爭的主戰(zhàn)場，它們在中國積極進(jìn)行專利布局，以尋求獲得最大范圍的技術(shù)保護(hù)和最大份額的市場。

4.專利申請的IPC分類號統(tǒng)計

IPC（國際專利分類表）是目前國際通用的專利文獻(xiàn)分類和檢索工具，其可以作為對某一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行現(xiàn)有技術(shù)水平調(diào)研和進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)權(quán)統(tǒng)計工作的基礎(chǔ)，用于對各個領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r做出評價。表1顯示出全球量子點材料領(lǐng)域?qū)＠暾埩拷y(tǒng)計排在前10位的IPC小類分類號。從表1可看出，量子點材料領(lǐng)域?qū)＠暾埖腎PC分布覆蓋了較多的技術(shù)領(lǐng)域，主要有H部（電學(xué)）、G部（物理）、C部（化學(xué)；冶金）、B部（作業(yè)；運輸）和A部（人類生活必需）。具體技術(shù)內(nèi)容上，小類H01L、C09K、B82Y、B82B均涉及到量子點的結(jié)構(gòu)和制備，小類H01L中的部分大組還涉及半導(dǎo)體量子點材料在光電子器件、微電子器件中的具體應(yīng)用；H01S主要為量子點激光器；G01N、C12Q、A61K主要涉及量子點作為熒光材料在生物醫(yī)學(xué)、理化檢測分析中的應(yīng)用；G02F則涉及熒光量子點作為波長轉(zhuǎn)換材料在彩色液晶顯示器的背光裝置中的應(yīng)用。由IPC統(tǒng)計可知，目前量子點材料專利申請可以分為結(jié)構(gòu)和制備、光電子和微電子應(yīng)用、檢測分析應(yīng)用、液晶顯示應(yīng)用這4大技術(shù)分支。

圖4為各國或組織量子點材料領(lǐng)域?qū)＠暾埖姆诸愄柗植记闆r。以便捷、高效、低成本剛的方法制備出性能優(yōu)良的各種量子點材料是量子點應(yīng)用的關(guān)鍵，因此量子點的結(jié)構(gòu)和制備一直是各國專利申請的重點。在應(yīng)用方面，國內(nèi)基于量子點熒光材料的生物醫(yī)學(xué)和理化檢測分析為研究熱點，申請量占比較大。量子點在激光器中的應(yīng)用是量子點材料在美國和日本的申請熱點，此外，量子點在顯示方面的應(yīng)用也是在美國專利申請的另一熱點。

5.主要申請人

圖5示出了量子點材料領(lǐng)域在國內(nèi)的申請量居前10位的申請人的排序情況。前10位申請人中，國內(nèi)申請人占據(jù)了9個席位，其中，科研機構(gòu)6個，公司3個。申請量排名第1的是京東方，以182件的申請量排名第1，京東方以及另外排名前10的2個公司華星光電、TCL都是國內(nèi)知名的顯示器生產(chǎn)制造商，他們的申請基本都是圍繞量子點在液晶顯示中的應(yīng)用，創(chuàng)新點不在于量子點本身，基本不涉及產(chǎn)業(yè)鏈上游的量子點自身結(jié)構(gòu)和制備。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（以下簡稱“中科院半導(dǎo)體所”）、上海交通大學(xué)等國內(nèi)著名高校和科研院所是國內(nèi)量子點材料專利申請的主力軍，他們的研發(fā)重點在于各種量子點材料結(jié)構(gòu)、性能提升和制備方法優(yōu)化、以及面向光電子、微電子等基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的應(yīng)用。前10位申請人中唯一的國外申請人為韓國的三星公司，該公司的專利申請大部分是量子點在液晶顯示中的應(yīng)用，除此之外，還涉及面向液晶顯示應(yīng)用的量子點材料的制備以及基于量子點的光電器件等，其專利的被引證次數(shù)很高，反映了該公司較高的專利申請質(zhì)量。可以看出，我國科研院校在量子點材料的基礎(chǔ)研發(fā)方面具備了較強的實力，而企業(yè)盡管在申請數(shù)量上取得了一定的成績，但是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心專利較少，量子點制備相關(guān)的核心技術(shù)仍然被國外申請所掌握。

圖6示出了量子點材料領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩颗琶?0位的申請人，分別為三星、京東方、LG、中科院半導(dǎo)體所、東芝、上海交通大學(xué)、飛利浦、深圳市華星光電技術(shù)有限公司（以下簡稱“華星光電”）、納米技術(shù)有限公司（Nanoco）、武漢大學(xué)。其中，排名前 3的三星、京東方、LG均是全球知名液晶顯示器制造商，他們有關(guān)量子點的研發(fā)大多數(shù)是服務(wù)于液晶顯示面板，這在一定程度上反映了量子點顯示技術(shù)成為近年來顯示領(lǐng)域的研究熱點，有望在與OLED顯示技術(shù)的競爭中占據(jù)優(yōu)勢。除了京東方和華星光電這2個個公司之外，國內(nèi)還有3個科研機構(gòu)入圍全球申請量前10，體現(xiàn)了我國在量子點材料領(lǐng)域的綜合研發(fā)實力。另外，武漢大學(xué)力壓在國內(nèi)申請量排名中靠前的東南大學(xué)，全球排名第10，表明武漢大學(xué)在該領(lǐng)域具有較強的知識產(chǎn)權(quán)意識，積極在海外進(jìn)行專利布局。值得一提的是，排名第9的Nanoco公司是英國一家專門從事量子點生產(chǎn)制造的公司，為全球量子點材料的3大生產(chǎn)商之一，產(chǎn)品覆蓋平板顯示、LED照明、太陽能電池、生物影像等多個應(yīng)用領(lǐng)域，近年來該公司研發(fā)了用于顯示的、環(huán)保的無鉻量子點，十分引人關(guān)注。除了Nanaco之外，全球另外2大量子點生產(chǎn)商為德國的納米系統(tǒng)公司（Nanosys）和美國的QD視光有限公司（QD Vision），盡管這3大生產(chǎn)商的專利申請在數(shù)量上的優(yōu)勢不大，Nanosys和QD Vision均未進(jìn)入前10，但是，已有的經(jīng)典量子點材料的核心專利基本上被包括這3大公司在內(nèi)的少數(shù)幾個公司壟斷，量子點上游材料主要掌握在這些外資企業(yè)手中。

三、結(jié)語

量子點材料是新一代的納米功能材料，在眾多領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。通過上述對國內(nèi)外量子點材料領(lǐng)域?qū)＠暾垹顩r的分析，對國內(nèi)今后量子點材料技術(shù)的發(fā)展提出如下建議：①我國相關(guān)部門、企業(yè)和科研機構(gòu)要認(rèn)清技術(shù)發(fā)展的潮流，進(jìn)一步加大對于上游核心技術(shù)的研發(fā)投入。盡管全球量子點材料技術(shù)研究起步較晚，但現(xiàn)已邁入高速發(fā)展階段，國內(nèi)研發(fā)機構(gòu)要抓緊這一機遇，加強對量子點制備等核心技術(shù)的研發(fā)，面向不同應(yīng)用領(lǐng)域有針對性地對量子點的結(jié)構(gòu)和制備方法進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，爭取在量子點產(chǎn)業(yè)鏈上游的競爭中占領(lǐng)一席之地。②加強企業(yè)和高校、科研院所的合作。國內(nèi)的高校和科研院所在量子點的制備和基礎(chǔ)應(yīng)用方面已經(jīng)做了大量的研究，并形成了一定的技術(shù)積累和科研成果。國內(nèi)的顯示器生產(chǎn)商和生物醫(yī)學(xué)高新技術(shù)企業(yè)等對量子點材料的需求巨大，科研單位和國內(nèi)企業(yè)之間應(yīng)當(dāng)增進(jìn)交流和合作，科研院所可以有針對性地了解不同企業(yè)產(chǎn)品對量子點材料性能的真實需求，解決企業(yè)所面臨的技術(shù)難題，將科研單位的優(yōu)質(zhì)科研資源和成果與企業(yè)的市場運作機制有機結(jié)合，使科研單位成果的產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)企業(yè)和科研單位共贏互利。③進(jìn)一步提高知識產(chǎn)權(quán)意識，加強知識產(chǎn)權(quán)的運用和管理能力。面對國外3大巨頭的技術(shù)壟斷，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視，在進(jìn)行技術(shù)研發(fā)的同時要積極地進(jìn)行專利布局，還要密切關(guān)注相關(guān)國外公司已有的研究成果和專利布局，及時了解競爭對手的技術(shù)發(fā)展動態(tài)。國內(nèi)科研機構(gòu)雖然專利申請總量上取得較好位次，但是由于對知識產(chǎn)權(quán)理解不到位，專利申請的撰寫質(zhì)量偏低，導(dǎo)致產(chǎn)權(quán)成果未能得到有效保護(hù)。此外，還要進(jìn)一步加大專利申請力度，特別是要加強海外專利布局以提升國際競爭力，以期在該領(lǐng)域取得一定的話語權(quán)。

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