發(fā)光二極管（LED）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件。LED由兩部分組成，一部分是空穴占主導(dǎo)地位的P型半導(dǎo)體，另一部分是電子占主導(dǎo)地位的N型半導(dǎo)體，二者界面之間形成P-N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于二極管時(shí)，電子向P區(qū)移動(dòng)并在P-N結(jié)處跟空穴復(fù)合，并以光子的形式發(fā)出能量。LED已經(jīng)成為一項(xiàng)廣為人知的高科技技術(shù)，能夠提供最有效的照明選擇，各種顏色的LED被廣泛用于各應(yīng)用領(lǐng)域的照明。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一項(xiàng)潛在的技術(shù)，量子點(diǎn)LED（QD-LED），正在撼動(dòng)著LED照明和顯示行業(yè)。QD-LED是把有機(jī)材料或者LED芯片和高效發(fā)光無機(jī)納米晶體結(jié)合在一起而產(chǎn)生的具有新型結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)有機(jī)發(fā)光器件。相對于傳統(tǒng)的有機(jī)熒光粉，量子點(diǎn)具有發(fā)光波長可調(diào)（可覆蓋可見和近紅外波段）、熒光量子效率高（可大于90%）、顆粒尺寸小、色彩飽和度高、可低價(jià)溶液加工、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，其色域已經(jīng)可以超過標(biāo)準(zhǔn)色三角。因此基于量子點(diǎn)的發(fā)光二極管，有望應(yīng)用于下一代平板顯示和照明。

QD-LED已經(jīng)是顯示技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先者，三星、TCL、LG、京東方等各大顯示屏公司提供基于QD-LED的商業(yè)電視顯示屏。在顯示器方面，microLED、有機(jī)LED（OLED）和QD-LED之間的競爭非常激烈。QD-LED在照明領(lǐng)域，目前只有一家公司提供基于照明的商用QD-LED。但該技術(shù)的最新發(fā)展表明，QD-LED可能會(huì)在照明行業(yè)取得長足進(jìn)步。

量子點(diǎn)優(yōu)勢

大多數(shù)商業(yè) LED 使用藍(lán)色 LED 背光和熒光粉涂層進(jìn)行工作。藍(lán)色LED上的熒光粉涂層在深藍(lán)色或紫外線輻射激發(fā)時(shí)發(fā)出可見光，實(shí)現(xiàn)能量下轉(zhuǎn)換（藍(lán)光轉(zhuǎn)換為能量較低的紅光或綠光）。通過調(diào)整給定熒光粉的比例和特性，可以調(diào)整輸出光的波段位置。但能量下轉(zhuǎn)換過程效率較低，從藍(lán)色轉(zhuǎn)換為紅色時(shí)，熒光粉會(huì)浪費(fèi)一部分能量。

在LED 驅(qū)動(dòng) QD 中的發(fā)射過程中，釋放不同光子的量子點(diǎn)同樣位于LED芯片的頂部。然而，與傳統(tǒng)的基于熒光粉的LED相比，量子點(diǎn)具有最重要的優(yōu)勢——提供寬光譜的可調(diào)性。通過改變粒徑，可以使用量子點(diǎn)技術(shù)輕松改變顏色或峰值波長，這是量子點(diǎn)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

在制造方面，改變量子點(diǎn)尺寸的手法很簡單，只需要增加量子點(diǎn)的額外生長時(shí)間。對于硒化鎘（CdSe）這類制造量子點(diǎn)的常見材料，2nm的CdSe量子點(diǎn)將以紅色發(fā)射，但在稍長的生長時(shí)間后，5nm的CdSe 量子點(diǎn)將以綠色發(fā)射。與熒光粉相比，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢，因?yàn)闊晒夥鄣陌l(fā)射和穩(wěn)定性完全取決于材料類型，光譜的靈活性十分有限。

此外，量子點(diǎn)在效率方面也具有優(yōu)勢，特別是在紅光區(qū)域。通常，當(dāng)使用基于熒光粉的LED發(fā)射紅光時(shí)，由于無法控制熒光粉輸出發(fā)射光譜的帶寬，不可避免地會(huì)發(fā)射一部分紅外光，造成能量浪費(fèi)。對于QD-LED，較窄的發(fā)射光譜意味著可以獲得單色性好、純凈度高的紅光，從而在基于照明的應(yīng)用中提供更高的效率。

QD-LED還為具有高顯色指數(shù)（CRI）值的LED提供了一條捷徑。這意味著與日光相比，QD-LED照明所照亮的顏色測量值表現(xiàn)良好（CRI = 100）。最近，劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究了基于QD-LED的智能照明，它可以由用戶控制，并允許照明根據(jù)情緒和環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。他們創(chuàng)建了一個(gè)將QD-LED與系統(tǒng)級顏色控制和顏色優(yōu)化算法相結(jié)合的設(shè)備。通過使用多層不同大小的量子點(diǎn)，范圍從3到30納米，他們能夠改變顏色并準(zhǔn)確地模仿白光。一般來說，在產(chǎn)生白光時(shí)，使用紅色，綠色和藍(lán)色的混合物，但劍橋團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過使用更大范圍的顏色，白光可以更準(zhǔn)確地表示。

市場的競爭

QD為下一代照明應(yīng)用提供高顯色性和非常節(jié)能的LED組件，但是商用QD-LED的開發(fā)面臨著重大挑戰(zhàn)。

QLED 器件的制作成本大致可分為原材料的成本和處理這些材料的制造成本。由于目前QLED 都采用類似的工具箱薄膜處理技術(shù)，例如噴墨和微接觸印刷，熱蒸發(fā)定量和濺射等，雖然QLED 在結(jié)構(gòu)和制作技術(shù)上比OLED 減少了很多成本，但是高要求的制備環(huán)境使其與商業(yè)化仍有一段距離。

量子點(diǎn)直接位于LED和硅的頂部，在這種條件下很容易發(fā)生降解。在芯片上，量子點(diǎn)暴露在高溫下（有時(shí)>100°C），暴露在潮濕和潮濕的大氣中，并且需要高通量的光進(jìn)入量子點(diǎn)。這些通過其表面的過程直接地導(dǎo)致QD的退化。量子點(diǎn)是在表面或附近有許多原子的納米粒子，光氧化很容易導(dǎo)致量子點(diǎn)變暗。

在應(yīng)用的過程中，量子點(diǎn)的團(tuán)聚也是影響量子點(diǎn)發(fā)光的重要原因。由于量子點(diǎn)發(fā)光的原理是量子限域效應(yīng)，僅在量子點(diǎn)體積較小的時(shí)候，才能夠保持穩(wěn)定的發(fā)光特性。當(dāng)量子點(diǎn)團(tuán)聚的時(shí)候，會(huì)改變量子點(diǎn)的尺寸，從而使量子點(diǎn)猝滅失效。

目前QD-LED 器件在最低視頻亮度（100 cd/m2）上的壽命僅為100-1000 個(gè)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顯示器需要的壽命（大于10000 小時(shí)）。造成器件壽命短的因素可能有很多，作為QLED 電荷傳輸層的有機(jī)物的某些固有不穩(wěn)定性質(zhì)可能是其器件壽命短的一個(gè)原因。

量子點(diǎn)是一種替代方法，通過QD尺寸直接控制顏色，可以提高器件的整體性能，為該行業(yè)提供了另一種追求這種定制照明的途徑。但是，對電光轉(zhuǎn)換效率的限制仍然是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的障礙。QD-LED技術(shù)正處于革命的邊緣，在不久的將來，一定會(huì)出現(xiàn)發(fā)光發(fā)熱的爆發(fā)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：Samarakoon, C., Choi, H.W., Lee, S. et al. Optoelectronic system and device integration for quantum-dot light-emitting diode white lighting with computational design framework. Nat Commun 13, 4189 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31853-9

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