天生我材| 未来显示材料—量子点

简 介

图片来源：Imagecourtesy of Evident Technologies

量子点(quantum dot)是一种准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应(quantum confinementeffect)特别显著。

发展历史

1. 研究始于上世体80年代早期2个实验室的科学家:贝尔实验室的Louis Brus博士和前苏联Yoffe研究所的Alexander Efros和Victor.I.Klimov博士

2. 1993年，Bawendi教授领导的科研小组第一次合成出了大小均一的量子点。这一阶段的量子点纳米晶都是通过共沉淀法制备得来的。这种纳米晶由于尺寸分布不均匀，且表面缺陷较多，难以得到实际的应用。

3. 1994年，Alivisatos教授在Nature上发表了利用CdSe量子点构建发光二极管(LED)的文章[3]，开启了量子点在光电转换领域应用的密码。

4. 2003年，Larson等人在Science上报道了量子点的多光子发射性质，这样在荧光成像的时候可以完全避开生物组织的背景荧光

5. 2015年深圳市金准生物医学工程有限公司的首个量子点标记技术的体外诊断试剂获CFDA批准。

图片来源： University of Hamburg

六大特性

• 量子点的发射光谱可通过改变量子点的尺寸大小来控制

• 量子点具有很好的光稳定性

• 量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱

• 量子点具有较大的斯托克斯位移

• 生物相容性好

• 子点的荧光寿命长

五大效应

1. 量子限域效应，由于量子点与电子的De Broglie波长、相干波长及激子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应。

2. 量子尺寸效应，通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。

3. 表面效应，表面效应是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。

4. 量子隧道效应，是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。

5. 库仑堵塞效应，当颗粒尺度到纳米级，体系电荷量子化，即充电放电过程是不连续的，前一个电子对后一个电子的库仑堵塞能Ec极大，导致一个单电子传输，电子不能集体传输，这种单电子输运行为称为库仑堵塞效应。

三大分类

一元量子点：C量子点Si量子点

二元量子点：不含重金属的量子点 ZnO SiO2 等含重金属的量子点CdS CdSe CdTe PbS等

三元量子点：CdSexTe1-xCuInS2 CuInSe2等。

五大制备方法

应用领域

显示器件：

1. 光转换元件

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2. 量子点电视

图片来源：shafa

3. 量子点平板电脑

图片来源：digi

4. 量子点智能手机

图片来源：gome

照明器件：

图片来源：gome

量子点灯具有如下优点：

①接近自然光，不同尺寸的量子点材料会发出不同颜色的光，即我们可以通过改变量子点的尺寸来改变它的颜色，使光谱覆盖整个可见光范围。

②无频闪，通常人眼能够感知到的频率达70 Hz（每秒钟闪70次），所以，量子点脉冲信号的频率高于70 Hz，人眼不会感觉到闪烁。

③显色指数高，量子点的激发谱较宽，发射谱较窄所以多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠，因而量子点灯的显色指数较高，色彩更好，眼睛看起来更舒适。

生命科学与医学成像：

比如在肿瘤的诊断研究中，通过对水溶性量子点的表面进行适当的化学修饰，把对某种癌细胞具有特殊识别功能的靶向分子连接到量子点的表面。

这些表面具有识别分子的量子点就可以选择性的识别癌细胞并与之结合，通过荧光显微镜找到量子点，从而对癌细胞进行识别甚至跟踪。

图片来源：bio-equip

生物体系荧光探针，与传统的荧光探针相比，纳米晶体的激光光谱宽，且连续分布，而发射光谱呈对称分布且宽度窄，颜色可调，即不同大小的纳米晶体能被单一波长的光激发而发出不同颜色的光，并且光化学稳定性高，不易分解。

图片来源：mediav

新型能源器件：

量子点敏化太阳能电池：基于量子点的太阳能电池是当前的研究热门。

首先，由于量子点材料的多次电子激发效应以及很大的表面积，而且它们具有很宽的吸收光谱，因此相对于传统的太阳能电池而言有两倍以上的光电转换效率。

另外，对于同一种材料而言，不同尺寸的量子点能够吸收不同的波长，因此利用多种尺寸的量子点就能够覆盖整个太阳光波段，从而大大提高光能的利用率。

图片来源：qifeiche

量子点显示产业链概述：

量子点显示产业链从上游到下游依次为上游量子点材料和阻隔膜、中游量子点膜和下游量子点电视。

量子点材料和阻隔膜供应商：负责量子点材料和阻隔膜的设计和生产，代表性公司Nanosys和3M；

量子点膜公司：完成量子点光学膜的涂布和复合工艺，代表性公司3M、激智科技。

终端电视厂（代工厂）：负责量子点电视的设计、生产和销售，代表性公司三星、TCL和海信。

展 望

未来更绿色、更低毒、兼容性更强、发光效率更高的量子点材料将成为量子点研究的主要方向。改变量子点材料的颗粒尺寸即可实现整个可见光谱区的覆盖，将不同尺寸的量子点按照一定比例混合，即可实现类似于太阳光的自然光色，得到较高的显色指数。量子点材料在提高色彩饱和度与显色指数的同时，还能降低显示与照明的功耗，必将成为下一代显示与照明用核心关键光转化材料。

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