去年10月，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了發(fā)明藍(lán)光發(fā)光二極管的數(shù)位日裔科學(xué)家，“白熾燈點(diǎn)亮了20世紀(jì)，LED點(diǎn)亮了21世紀(jì)”，從頒獎(jiǎng)詞看出，發(fā)光二極管即LED是公認(rèn)的下一代顯示與照明技術(shù)的核心器件。幾十天后，一篇來(lái)自中國(guó)科學(xué)家的論文在《自然》上發(fā)表，報(bào)道了在量子點(diǎn)發(fā)光二極管領(lǐng)域取得的重要研究進(jìn)展。

　　量子點(diǎn)能大大提高二極管的發(fā)光性能

　　“發(fā)光材料對(duì)人類的重要性，決定了量子點(diǎn)會(huì)成為明星材料。”彭笑剛認(rèn)為。

　　光是能量的一種形式，當(dāng)物質(zhì)中的電子從一個(gè)高能級(jí)躍遷到一個(gè)相對(duì)較低的空能級(jí)，能量就會(huì)被釋放——如果這份能量以光的形式表現(xiàn)出來(lái)，就會(huì)看到這個(gè)物質(zhì)在發(fā)光。

　　科研人員解釋說(shuō)，在半導(dǎo)體材料中，如果電子掉進(jìn)空能級(jí)的空穴，就會(huì)發(fā)出光子，這被稱為“電子空穴復(fù)合”。然而，能復(fù)合的電子和空穴在物質(zhì)中并不是常存在的，復(fù)合過(guò)程需要電激發(fā)或光激發(fā)。發(fā)光二極管就是電激發(fā)的發(fā)光器件。

　　發(fā)光二極管通電時(shí)，電子和空穴在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移，它們?cè)谙嘤鰰r(shí)有可能發(fā)生復(fù)合，但這個(gè)過(guò)程并不容易。它們要有緣邂逅，發(fā)生相互作用形成“電子—空穴對(duì)”，最終才能在適合條件下復(fù)合，發(fā)出幸福的象征——光子。

　　為了保證一個(gè)較高的復(fù)合效率，科研人員常會(huì)提供一個(gè)復(fù)合介質(zhì)，也就是“發(fā)光材料”。在這類材料里安排電子和空穴“相親”，成功幾率會(huì)大大提高。學(xué)名叫“可溶的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶”，簡(jiǎn)稱為溶液納米晶的量子點(diǎn)，正是非常優(yōu)異的發(fā)光介質(zhì)，只要電子和空穴一對(duì)一的進(jìn)入到量子點(diǎn)，就會(huì)復(fù)合發(fā)光，發(fā)光量子效率可以高達(dá)100%。

　　彭笑剛課題組正是合成了一種適合于LED的量子點(diǎn)發(fā)光材料，然后與浙江大學(xué)金一政課題組合作做成了新型的量子點(diǎn)發(fā)光二極管。同時(shí)精巧地設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)，讓電子減緩“步伐”，空穴則加快腳步，促成電子與空穴的有效相會(huì)，大大提升了量子點(diǎn)發(fā)光二極管的高效率發(fā)光性能和穩(wěn)定性。

　　這也恰恰解決了彭笑剛所認(rèn)為的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——要讓量子點(diǎn)發(fā)光二極管達(dá)到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用水平，一是怎樣量身定制適用于LED的量子點(diǎn)材料;二是怎樣設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最大的電光轉(zhuǎn)換效率。

　　至關(guān)重要的量子點(diǎn)，究竟是一種什么材料呢?

　　不同尺寸的量子點(diǎn)，能表現(xiàn)不同的顏色

　　“量子點(diǎn)是一種納米尺寸的半導(dǎo)體晶體，它的三維尺寸都在100納米以下。把它們放入溶液，從此人類有了一類全新的材料，它們具有晶體和溶液的雙重性質(zhì)。從化學(xué)角度講，甚至是一類全新的分子;從材料的前途看，它代表著很多新的可能性。”彭笑剛說(shuō)。

　　量子點(diǎn)的大小，大概是一根頭發(fā)絲直徑的十萬(wàn)分之一，人眼已經(jīng)無(wú)法看到。正是在納米尺度，量子點(diǎn)表現(xiàn)出了量子效應(yīng)——當(dāng)這些半導(dǎo)體晶體做到小到納米尺度，不同的尺寸就可以發(fā)出不同顏色的光，即使是尺寸相差幾個(gè)或十幾個(gè)原子。而通過(guò)調(diào)整量子點(diǎn)的尺寸，就能得到所需顏色的光。比如硒化鎘這種半導(dǎo)體納米晶，在2納米時(shí)發(fā)出的是藍(lán)色光，到8納米的尺寸時(shí)發(fā)出的就是紅色光，中間的尺寸呈現(xiàn)綠色黃色橙色等。

　　“使用不同尺寸的量子點(diǎn)，我們將會(huì)看到不同的顏色，而且色彩非常鮮艷?！眳⑴c課題合作的杭州納晶科技公司的趙飛博士說(shuō)，量子點(diǎn)的名字，也正是來(lái)源于半導(dǎo)體納米晶的量子尺寸效應(yīng)。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，量子點(diǎn)的合成依賴于一些特別活潑的、毒性特別高的物質(zhì)，見(jiàn)到空氣就會(huì)爆炸，必須保存在冰箱里。彭笑剛在國(guó)外時(shí)較早的貢獻(xiàn)在于，找到了一種“綠色”有機(jī)溶劑路線，只要有一個(gè)普通的化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室就可以做量子點(diǎn)的簡(jiǎn)便合成。之后，又進(jìn)一步系統(tǒng)探索了量子點(diǎn)生長(zhǎng)機(jī)理，使得相對(duì)高質(zhì)量的量子點(diǎn)的范圍逐步擴(kuò)大到多種類半導(dǎo)體。很快，這條“綠色”路線在全世界推廣。

　　“最后找到的方法，就是通過(guò)理解晶體生長(zhǎng)的特殊機(jī)制，用常見(jiàn)的化學(xué)品取代昂貴的不穩(wěn)定原料。科學(xué)就是這么回事，沒(méi)找到之前一頭霧水，找到之后覺(jué)得挺簡(jiǎn)單。”彭笑剛說(shuō)。