量子点材料有望成为我国长板产业
【前沿材料观察①】
◎本报记者 崔 爽
编者按 近日，工信部和国务院国资委联合发布了第一批前沿材料产业化重点发展指导目录，旨在加快前沿材料产业化创新发展。新材料产业是战略性、基础性产业，前沿材料代表新材料产业发展的方向与趋势，是构建新的增长引擎的重要切入点。今起，本版推出“前沿材料观察”系列报道，对前沿材料的创新研究方向、产业发展现状、未来应用前景等进行深入解读。
日前，2023年诺贝尔化学奖花落“量子点”。美籍法国–突尼斯裔化学家蒙吉 G.巴文迪（Moungi G.Bawendi），美国化学家路易斯 E.布鲁斯（Louis E.Brus）和俄罗斯物理学家阿列克谢 I.叶基莫夫（Alexei I. Ekimov）因“发现和合成量子点”获得2023年诺贝尔化学奖。
量子点是一类微小颗粒，已经应用在多个领域。例如，电视屏幕和LED灯的光线传导都与量子点相关，它们可以催化化学反应，发出的光线也能为外科医生照亮肿瘤组织。
“我国在《前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）》中，就明确提出发展量子点材料，这是非常具有战略眼光的。”中国科学院半导体研究所研究员杨晓光对科技日报记者表示，“我国在量子点材料相关科研和产业方面，均处于国际领先水平，可将其打造为我国未来的长板产业。”
量子点也被称为“人工原子”
量子点材料是一种准零维的纳米材料，由少量的原子构成，具有高发光效率、高色纯度、高色域、可溶液加工等特点。量子点材料具体包括蓝色磷光材料、硅基量子点频梳激光器材料等，可应用于新一代信息技术等领域。
“量子点也称为半导体纳米晶，是少量原子组成的、三个维度尺寸通常是1—100纳米的零维纳米结构。”厦门大学材料学院教授解荣军表示，一个量子点具有少量的电子、空穴或电子—空穴对，量子点也被称为“人工原子”。在量子点材料中，胶体量子点材料是研究、应用最广泛的一类。胶体量子点材料通常采用化学合成方法制备，具体操作是将金属的有机或无机物溶液溶胶固化形成量子点，分散于溶剂中。
与诸多改变人类发展进程的重大发现一样，量子点也是被偶然发现的。阿列克谢 I.叶基莫夫于1980年在研究彩色玻璃时发现了纳米颗粒的尺寸依赖性质，标志着量子点的发现；1983年，路易斯 E.布鲁斯在研究硫化镉胶体溶液后提出了量子点光学性质的量子尺寸效应；蒙吉 G.巴文迪于1993年提出了具有划时代意义的“热注射法”，制备出了均匀、尺寸可调的高质量量子点，极大地推动了该研究领域的发展。三位科学家的突破性工作为量子点技术的发展铺平了道路，将其从实验室推向实际应用。“这些纳米级的粒子，因其独特的量子性质，为现代科技带来了广阔的发展前景。”解荣军说。
据杨晓光介绍，在半导体领域，1986年，日本东京大学的荒川教授（Arakawa）提出并预测了半导体材料结构从二维量子阱演变到零维量子点后材料性能的变化。此后，将量子点材料应用于光电器件，特别是激光器成为重要的技术发展趋势。一个典型例子是量子点激光器可以在200℃的高温下正常工作，远超传统半导体激光器的工作温度上限。
率先在高清显示行业应用落地
据解荣军介绍，量子点材料最具商业价值的应用是在高清显示领域，包括电视、电脑、平板电脑、手机等，具有万亿级市场规模。在精确控制下不同尺寸的量子点，在受到外来能量激发后，可发出对应波长的光，这是量子点材料用于显示应用的第一个关键优势。量子点材料的第二个关键优势是它们的发光光谱非常窄，使得其发光颜色异常纯净，使显示屏幕可以呈现更鲜艳、更真实的颜色。溶液可加工性是量子点材料的第三个关键优势，这意味着材料加工成本低且与多种化学溶剂有兼容性。
量子点材料问世之初，就有学者根据量子点独特的光电特性预测，其主要应用领域将首先集中在电子与光学方面。事实上，率先推动了量子点技术落地的领域，正是显示产业。2013年，日本索尼公司率先发布了量子点背光源的液晶电视，使液晶显示（LCD）再次具备与有机发光二极管（OLED）一竞高下的实力。国内企业TCL在2016年推出搭载量子点背光的液晶电视，此后，量子点材料广泛应用于国内外中高端液晶电视、显示器、笔记本、平板电脑中。“量子点材料使得显示屏可以更柔性、像素更密、色域更宽。”杨晓光说。
“目前，商用的量子点背光源技术（QD-LCD）仍属于量子点显示应用的初级阶段。”解荣军说，其主要原因在于高质量的量子点材料通常需要复杂的工艺和原材料制造，高昂的制造成本限制了大规模商业化应用的发展；一些量子点材料可能含有镉等有害元素，对环境和人类健康造成潜在威胁；直流电通过量子点薄膜会发生量子点充电，随着量子点带电，电流通过器件并维持量子点电致发光变得越来越困难等。
在多个领域展现出重要优势
量子点显示只是一道“开胃菜”。量子点材料并未止步于显示，生物成像、传感器、太阳能电池等都将成为它的应用落地场景。
“今天，量子点材料已成为纳米技术中不可或缺的部分，在生物化学、医学等领域，量子点材料都具有广泛的应用。”解荣军表示，量子点材料抗退化，亮度是有机染料的10—20倍，该特性可以使量子点荧光探针对细胞生命过程进行更长时间的跟踪；量子点材料具有化学惰性且具有较大的比表面积，保证了较高的载药能力，因此可以在生物系统中标记纳米载体，适用于治疗性药物输送；量子点材料还具有表面修饰的可行性，可以通过相互作用与肽、碳水化合物、DNA片段、病毒和天然产物进行生物偶联。这些应用不仅显示了量子点材料在生物医学研究中的潜力，也为我们提供了探索生命过程和疾病治疗的新途径。
杨晓光表示，目前我国在量子点材料研究及其产业应用方面，均处于国际先进水平。量子点材料很有希望成为我国在光电、信息、显示等领域的“强手棋”。
杨晓光说，目前我国数据中心加速建设，能耗成为关键卡点。高密度的光电器件在工作中产生大量的热，光电器件性能对温度又非常敏感，因此数据中心需要大量的能量进行光电器件的降温。据统计，温控能耗占了中心总能耗的四成左右。如果采用可高温工作的量子点激光器，数据中心的能耗将大幅降低。“高温场景只是量子点激光器的应用环境之一，其在高密度片上光电集成、高精度测量、光量子生成等领域中已展现出重要优势。”杨晓光说。
“诺贝尔奖的颁布带动了量子点材料的关注度，有望进一步推动其产业化发展，使其在更多领域发挥价值。”解荣军表示，正如诺贝尔奖颁奖介绍材料中所说：我们才刚刚开始探索量子点的潜力。