很多東西都是偶然發(fā)現(xiàn)的——引力、青霉素、新大陸——現(xiàn)在這個(gè)名單又有了新成員：美國能源部勞倫斯?伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了，為什么一項(xiàng)制造量子點(diǎn)和納米柱的技術(shù)到目前為止還不能令人滿意。而且，他們還發(fā)現(xiàn)了如何糾正這個(gè)問題。

伯克利實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家Paul Alivisatos和Illinois大學(xué)的化學(xué)家Prashant Jain領(lǐng)導(dǎo)一組研究者發(fā)現(xiàn)，為什么溶液中的多種成分結(jié)晶而成的納米晶體經(jīng)過陽離子置換后，色澤變差了。他們發(fā)現(xiàn)，問題的根源是最終的產(chǎn)品不純。研究小組還指出，這些雜質(zhì)可以通過加熱去除。

圖片左邊的瓶子里裝的是凈化前的晶體，右邊的瓶子里是把雜質(zhì)去除后的納米晶體。

所謂量子點(diǎn)

量子點(diǎn)是指直徑小于納米的半導(dǎo)體超微顆粒。1納米相當(dāng)于十億分之一米，足見量子點(diǎn)顆粒之小。簡單比較來說，如果世界的大小假定為1，那么量子點(diǎn)（0.000000001）就相當(dāng)于一個(gè)足球那么大。它比時(shí)下已成為問題的空氣中的超細(xì)微顆粒（2.5μm）都要小一千倍。量子點(diǎn)是由無機(jī)物材料，直徑為2~10納米的內(nèi)核和外殼組成，最終由高分子涂層包裹而成的構(gòu)造。最具代表性的量子點(diǎn)材料是鎘。由于鎘對環(huán)境有害，三星開發(fā)了新的量子點(diǎn)技術(shù)，即使沒有鎘材料，依舊可以保持量子點(diǎn)的高性能。目前這項(xiàng)技術(shù)正投入使用中。

量子點(diǎn)的發(fā)光原理

量子點(diǎn)的獨(dú)特之處在于，即使向同一種物質(zhì)發(fā)光或供給電流，根據(jù)粒子的大小卻會(huì)展現(xiàn)出不同的顏色。粒子若小則會(huì)看到藍(lán)色的短波光，粒子若大則會(huì)看到紅色的長波光，因而可以通過粒子的大小來表現(xiàn)不同的顏色。

量子點(diǎn)顯示的分類

① QDEF-LCD （Quantum Dot Enhancement Film LCD）

目前應(yīng)用量子點(diǎn)技術(shù)的產(chǎn)品如已上市的三星SUHD電視等，主要使用的就是QDEF技術(shù)。就是在基準(zhǔn)的LCD上添加量子薄膜。其具體方式就是將含有量子點(diǎn)的量子薄膜如上圖所示插入在發(fā)光的背光模組之上，讓穿過薄膜的光通過液晶和彩色濾光片的方式展現(xiàn)顏色。構(gòu)造雖與LCD的方式無異，但通過QDEF技術(shù)可以得到相當(dāng)好的色彩再現(xiàn)效果。

② QDCF-LCD （Quantum Dot Color Filter LCD）

與QDEF的方式在LCD的背光模組上添加量子薄膜不同，QDCF技術(shù)是直接將基準(zhǔn)的LCD彩色濾光片（color filter）材料換成QD來表現(xiàn)所需的顏色。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢在于量子點(diǎn)的發(fā)光位置就在離人眼更近的彩色濾光片上，相對于量子薄膜內(nèi)的光要通過液晶和彩色濾光片的QDEF方式可展現(xiàn)純度更高的色彩表現(xiàn)力。

③ QD-OLED （Quantum Dot OLED）

目前學(xué)術(shù)界在討論關(guān)于將量子點(diǎn)和OLED結(jié)合的新技術(shù)。如果說到目前為止討論的QDEF和QDCF技術(shù)是以LCD為基礎(chǔ)的概念，那么QD技術(shù)就是將OLED的藍(lán)光應(yīng)用在背光模組，使光通過由量子點(diǎn)組成的紅色和綠色彩色濾光片來表現(xiàn)顏色的概念。依舊使用彩色濾光片與LCD相似，同時(shí)不選用液晶而是OLED材料又與OLED相似，因而被叫做OLED量子點(diǎn)混合型技術(shù)。由于背光模組的材質(zhì)是OLED并且不含液晶材料，理論上是可以實(shí)現(xiàn)柔性顯示技術(shù)的。

④ QD-LED （Quantum Dot Light Emitting Diode）

最后一項(xiàng)稱之為QD-LED技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)與前三者有著很大的不同。QD-LED技術(shù)是指以量子點(diǎn)元素組成的RGB自身可發(fā)出固有的顏色。自體發(fā)光這一點(diǎn)與OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）相似。顯示構(gòu)造雖與目前的OLED相似，然而發(fā)光物質(zhì)由無機(jī)物換成有機(jī)物可看成差異很大的概念。OLED所采用的有機(jī)材料在空氣與水分中易受損的反面，采用無機(jī)材料的量子點(diǎn)不存在相應(yīng)問題，所以在制造過程和使命壽命層面上得到了積極正面的評價(jià)。當(dāng)然量子點(diǎn)在攝氏50度以上有易受損的缺點(diǎn)，但作為可克服現(xiàn)有難題的新技術(shù)，未來會(huì)受到更多的矚目。

量子點(diǎn)技術(shù)核心技能

光的原理大抵包含電致發(fā)光（Electroluminescence，EL）、光致發(fā)光（Photoluminescence，PL）和化學(xué)發(fā)光（生物發(fā)光和燃燒發(fā)光可歸類在此），而如今被普遍使用，能產(chǎn)生高亮度、并且有效節(jié)能的方式，正是電致發(fā)光，早在愛迪生發(fā)明電燈時(shí)，就已打開電致發(fā)光的大門，光源之旅一路從始祖鎢絲燈，一路走到今日的LED固態(tài)照明。

而LED、OLED和量子點(diǎn)，都同屬于電致發(fā)光中的固態(tài)場效發(fā)光，電子從激發(fā)態(tài)（Excited State）以輻射的方式回到基態(tài)（Ground State），當(dāng)材料是直接能隙半導(dǎo)體時(shí)，這個(gè)輻射就會(huì)以光的形式呈現(xiàn)，對無機(jī)物L(fēng)ED和量子點(diǎn)來說，激發(fā)態(tài)的能量位置稱之為傳導(dǎo)帶（Conduction Band，CB），基態(tài)的位置稱之為價(jià)帶（Valence Band，VB），而對有機(jī)物OLED而言，只要把CB和VB換成LUMO和HOMO就好了，道理大抵都是相通的。

激發(fā)態(tài)的能量較高，回到基態(tài)時(shí)是釋放能量的，對可發(fā)光的半導(dǎo)體材料來說，光就是這股被釋放的能量，激發(fā)態(tài)與基態(tài)間關(guān)鍵的能量差就叫做能隙（Energy Gap），能隙決定了光的能量，進(jìn)而決定了光的頻率與波長，總結(jié)的說，材料的能隙就定義了光的色彩，是解開光譜奧秘的鑰匙，不同的發(fā)光材料（直接能隙半導(dǎo)體），理論上對應(yīng)了不同的能隙。

于是在固態(tài)發(fā)光的旅程中，科學(xué)家絞盡腦汁尋找各種波長對應(yīng)的理想材料，輔以摻雜（doping）的技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種顏色的光，商業(yè)化的過程還得考慮到效率、晶格匹配、熱膨脹匹配等種種考量，背后蘊(yùn)含了龐大的知識與技術(shù)，固態(tài)照明能有今天的成果，得要感謝科學(xué)家們的努力，替照明世界找齊那一塊一塊的拼圖，無怪乎1993年中村叔叔搞出高亮度藍(lán)光，補(bǔ)足RGB三缺一的詛咒時(shí)，全世界都流眼淚了！這個(gè)被譽(yù)為“二十世紀(jì)不可能的任務(wù)”的里程碑，一來意味著二極體白光的誕生，固態(tài)照明的路從此打開，二來意味著實(shí)現(xiàn)全色彩（Full Color）的原料齊備，LED可以拿去做顯示了！一個(gè)藍(lán)光的突破，讓LED一口氣打開通往兩個(gè)巨大市場的門，中村于是當(dāng)之無愧的成了諾貝爾獎(jiǎng)得主。

該說說量子點(diǎn)了。

對于一維二維三維的納米材料我們這里不討論，我們只需看塊材（Bulk Material）和量子點(diǎn)（Quantum Dot）就好，一般在半導(dǎo)體的領(lǐng)域，我們使用的材料是塊材，塊材由許多原子透過共價(jià)鍵合體，原子與原子間的復(fù)雜作用力，讓不連續(xù)的能階形成接近連續(xù)的能帶，也就是我們所說的導(dǎo)帶和價(jià)帶，導(dǎo)帶與價(jià)帶間有固定的能量差，于是塊材的能隙就這么決定了。但當(dāng)我們把塊材持續(xù)的縮小到奈米尺度，且小于其波爾半徑時(shí)，量子局限效應(yīng)（Quantum Confinement）出現(xiàn)了，原本固定的能階會(huì)開始往外擴(kuò)，當(dāng)尺寸持續(xù)縮小時(shí)，發(fā)光波長會(huì)開始藍(lán)移（能量變強(qiáng)，光的波長變短）

這個(gè)因?yàn)榱孔泳窒扌?yīng)出現(xiàn)的能階改變，就是量子點(diǎn)進(jìn)入顯示舞臺的核心，只要選一個(gè)能隙小的材料，透過尺寸控制就能發(fā)出所有可見光，對，所有，什么晶格匹配什么摻雜的功夫都可以洗洗睡了。

量子點(diǎn)最夢幻的事，就是“一種材料，各種波長”，這個(gè)光可調(diào)的技能，可以用固定的材料去實(shí)現(xiàn)多種波長，色彩還又準(zhǔn)又pure，這真的很過分，徹底玩弄了半導(dǎo)體能隙與波長一對一的常理。于是，如LED和OLED那般尋找波長拼圖的做法成了歷史，量子點(diǎn)的世界只需要一把鑰匙－－－“化合物的選擇”，說起來簡單，但這個(gè)化合物不僅要能在藍(lán)移時(shí)涵蓋所有可見光、要有最小的半高寬、理想的轉(zhuǎn)換效率，還要不含毒素跟好合成…，這些條件列出來確實(shí)科學(xué)家也哭著想回家了，但…這是奈米材料??！奈米材料是材料科學(xué)的未來?。≡趺茨芨唵握瓷线吥?？困難是理所當(dāng)然的，反正找到了就是一百，找不到就是零，量子點(diǎn)材料選好了以后，再也不需要擔(dān)心的就是色域，更遑論去思考白光缺少哪個(gè)要素這種別腳的問題。

從應(yīng)用端的延展性來看，量子點(diǎn)同時(shí)具備了發(fā)散跟收斂的能力，不只能用一把鑰匙打開所有波長的門，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的色彩、完美的色域；在光致發(fā)光的應(yīng)用時(shí)，還可以讓不同門通往同一個(gè)房間－－－只要來源光都在可激發(fā)的范圍，量子點(diǎn)能把不同波長的光轉(zhuǎn)換成單一波長，實(shí)現(xiàn)光一致性的“整光”效果，這對顯示來說是個(gè)振奮人心的特質(zhì)，解決了單一Wafer晶片波長范圍難以微縮的難題，于是這個(gè)能“一轉(zhuǎn)多”又能“多轉(zhuǎn)一”的神奇材料，也成了小間距顯示屏與Micro LED熱切觀望，期許能解決自身技術(shù)限制的秘密武器。

量子點(diǎn)跟LED和OLED的關(guān)鍵差別，就是（1）擁有控制波長的完美特質(zhì)，以及（2）目前唯一能在光致發(fā)光和電致發(fā)光都有所作為的材料，這兩點(diǎn)大大的打開量子點(diǎn)的應(yīng)用彈性與想像空間。

量子點(diǎn)的尺寸非常小，已經(jīng)很難用Top－Down的方法制造，目前的制備方法都是Bottom－up，也就是用三口瓶像煮火鍋一樣煮出來的，過去為了提高量子點(diǎn)的發(fā)光效率，采用了Core－Shell結(jié)構(gòu)（下圖左），用能隙更寬的材料保護(hù)中央的發(fā)光中心，以CdSe／CdS結(jié)構(gòu)來說，CdSe是發(fā)光中心，CdS是保護(hù)外殼，這種作法持續(xù)很久，量子點(diǎn)的發(fā)光波長跟尺寸大小在這個(gè)時(shí)期都是直接相關(guān)的，普遍來說2nm～10nm的大小的量子點(diǎn)，可以對應(yīng)藍(lán)光到紅光的所有可見光，越大顆波長就越長，反之亦然。后來稱作合金（Alloy）量子點(diǎn)的作法出現(xiàn)了（下圖右），透過混合兩種材料的做法來控制光的波長，量子點(diǎn)大小不再是判斷色彩的指標(biāo)，合金的做法可以讓同樣尺寸的量子點(diǎn)，發(fā)出不同波長的光，漸漸地成為今日量子點(diǎn)的主流。

最理想的發(fā)光材料目前還是硒化鎘（CdSe），但硒化鎘含鎘，導(dǎo)致其始終背負(fù)著ROHS的包袱，一直在豁免的期限上與歐盟拉扯，行銷上也成為被替代技術(shù)痛擊的弱點(diǎn)，再說了，只要被貼上含毒的標(biāo)簽，消費(fèi)者就很容易從懷疑轉(zhuǎn)成恐慌（消費(fèi)者是非理性的），更別說未來回收還要面臨各種限制。于是，“含鎘”成了量子點(diǎn)商業(yè)化的詛咒，為了甩開這個(gè)詛咒，量子點(diǎn)只能努力地朝向非鎘與低鎘材料前進(jìn)。