近日，浙江大學(xué)高新材料化學(xué)中心彭笑剛課題組和金一政課題組設(shè)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(yīng)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(shù)的有力競爭者。11月6日，相關(guān)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(dǎo)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(shù)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(dāng)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(xué)獎授予了發(fā)明這一器件的科學(xué)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(dāng)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(xué)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(jié)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(xué)院和QD-Vision（基于MIT技術(shù)的創(chuàng)業(yè)公司）的科研人員宣布，他們設(shè)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(yīng)用的距離，盡管器件壽命依然嚴重不足。
突破QLED器件設(shè)計兩大難題
彭笑剛認為，要讓QLED達到現(xiàn)實應(yīng)用水平，有兩個關(guān)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(shè)計QLED的結(jié)構(gòu)，以達到最大的電光轉(zhuǎn)換效率。2012年夏天開始，合成化學(xué)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(xué)家開始緊密合作，首先解決了量子點合成化學(xué)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(lǐng)域多年的難題。
算一算將電能轉(zhuǎn)換為光能的效率，這種QLED的內(nèi)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(jié)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(xué)新型QLED的性能也并不遜色。
“麻省理工學(xué)院的技術(shù)路線部分采用了蒸鍍法制備QLED。這樣的技術(shù)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(xué)院研究QLED的團隊負責(zé)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(lǐng)域得到應(yīng)用。同時，QLED的溶液加工工藝與最新的加工技術(shù)相結(jié)合使得QLED具備大規(guī)模生產(chǎn)的前景。
“通過工業(yè)設(shè)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(xué)高新化學(xué)中心、硅材料國家重點實驗室、國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、浙江省自然科學(xué)基金委和浙江省科技廳的資助與支持。
(周煒)
