編者按 

近日，工信部和國務(wù)院國資委聯(lián)合發(fā)布了第一批前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄，旨在加快前沿材料產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新發(fā)展。新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，前沿材料代表新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向與趨勢(shì)，是構(gòu)建新的增長引擎的重要切入點(diǎn)。今起，本版推出“前沿材料觀察”系列報(bào)道，對(duì)前沿材料的創(chuàng)新研究方向、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、未來應(yīng)用前景等進(jìn)行深入解讀。

日前，2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)花落“量子點(diǎn)”。美籍法國–突尼斯裔化學(xué)家蒙吉 G.巴文迪(Moungi G.Bawendi)，美國化學(xué)家路易斯 E.布魯斯(Louis E.Brus)和俄羅斯物理學(xué)家阿列克謝 I.葉基莫夫(Alexei I. Ekimov)因“發(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)”獲得2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

量子點(diǎn)是一類微小顆粒，已經(jīng)應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。例如，電視屏幕和LED燈的光線傳導(dǎo)都與量子點(diǎn)相關(guān)，它們可以催化化學(xué)反應(yīng)，發(fā)出的光線也能為外科醫(yī)生照亮腫瘤組織。

“我國在《前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄(第一批)》中，就明確提出發(fā)展量子點(diǎn)材料，這是非常具有戰(zhàn)略眼光的。”中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員楊曉光對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者表示，“我國在量子點(diǎn)材料相關(guān)科研和產(chǎn)業(yè)方面，均處于國際領(lǐng)先水平，可將其打造為我國未來的長板產(chǎn)業(yè)?！?/p>

量子點(diǎn)也被稱為“人工原子”

量子點(diǎn)材料是一種準(zhǔn)零維的納米材料，由少量的原子構(gòu)成，具有高發(fā)光效率、高色純度、高色域、可溶液加工等特點(diǎn)。量子點(diǎn)材料具體包括藍(lán)色磷光材料、硅基量子點(diǎn)頻梳激光器材料等，可應(yīng)用于新一代信息技術(shù)等領(lǐng)域。

“量子點(diǎn)也稱為半導(dǎo)體納米晶，是少量原子組成的、三個(gè)維度尺寸通常是1—100納米的零維納米結(jié)構(gòu)?！睆B門大學(xué)材料學(xué)院教授解榮軍表示，一個(gè)量子點(diǎn)具有少量的電子、空穴或電子—空穴對(duì)，量子點(diǎn)也被稱為“人工原子”。在量子點(diǎn)材料中，膠體量子點(diǎn)材料是研究、應(yīng)用最廣泛的一類。膠體量子點(diǎn)材料通常采用化學(xué)合成方法制備，具體操作是將金屬的有機(jī)或無機(jī)物溶液溶膠固化形成量子點(diǎn)，分散于溶劑中。

與諸多改變?nèi)祟惏l(fā)展進(jìn)程的重大發(fā)現(xiàn)一樣，量子點(diǎn)也是被偶然發(fā)現(xiàn)的。阿列克謝 I.葉基莫夫于1980年在研究彩色玻璃時(shí)發(fā)現(xiàn)了納米顆粒的尺寸依賴性質(zhì)，標(biāo)志著量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)；1983年，路易斯 E.布魯斯在研究硫化鎘膠體溶液后提出了量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)的量子尺寸效應(yīng)；蒙吉 G.巴文迪于1993年提出了具有劃時(shí)代意義的“熱注射法”，制備出了均勻、尺寸可調(diào)的高質(zhì)量量子點(diǎn)，極大地推動(dòng)了該研究領(lǐng)域的發(fā)展。三位科學(xué)家的突破性工作為量子點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路，將其從實(shí)驗(yàn)室推向?qū)嶋H應(yīng)用?！斑@些納米級(jí)的粒子，因其獨(dú)特的量子性質(zhì)，為現(xiàn)代科技帶來了廣闊的發(fā)展前景?！苯鈽s軍說。

據(jù)楊曉光介紹，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，1986年，日本東京大學(xué)的荒川教授(Arakawa)提出并預(yù)測(cè)了半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)從二維量子阱演變到零維量子點(diǎn)后材料性能的變化。此后，將量子點(diǎn)材料應(yīng)用于光電器件，特別是激光器成為重要的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。一個(gè)典型例子是量子點(diǎn)激光器可以在200℃的高溫下正常工作，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的工作溫度上限。

率先在高清顯示行業(yè)應(yīng)用落地

據(jù)解榮軍介紹，量子點(diǎn)材料最具商業(yè)價(jià)值的應(yīng)用是在高清顯示領(lǐng)域，包括電視、電腦、平板電腦、手機(jī)等，具有萬億級(jí)市場(chǎng)規(guī)模。在精確控制下不同尺寸的量子點(diǎn)，在受到外來能量激發(fā)后，可發(fā)出對(duì)應(yīng)波長的光，這是量子點(diǎn)材料用于顯示應(yīng)用的第一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。量子點(diǎn)材料的第二個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們的發(fā)光光譜非常窄，使得其發(fā)光顏色異常純凈，使顯示屏幕可以呈現(xiàn)更鮮艷、更真實(shí)的顏色。溶液可加工性是量子點(diǎn)材料的第三個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，這意味著材料加工成本低且與多種化學(xué)溶劑有兼容性。

量子點(diǎn)材料問世之初，就有學(xué)者根據(jù)量子點(diǎn)獨(dú)特的光電特性預(yù)測(cè)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹紫燃性陔娮优c光學(xué)方面。事實(shí)上，率先推動(dòng)了量子點(diǎn)技術(shù)落地的領(lǐng)域，正是顯示產(chǎn)業(yè)。2013年，日本索尼公司率先發(fā)布了量子點(diǎn)背光源的液晶電視，使液晶顯示(LCD)再次具備與有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)一競(jìng)高下的實(shí)力。國內(nèi)企業(yè)TCL在2016年推出搭載量子點(diǎn)背光的液晶電視，此后，量子點(diǎn)材料廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外中高端液晶電視、顯示器、筆記本、平板電腦中?！傲孔狱c(diǎn)材料使得顯示屏可以更柔性、像素更密、色域更寬?！睏顣怨庹f。

“目前，商用的量子點(diǎn)背光源技術(shù)(QD-LCD)仍屬于量子點(diǎn)顯示應(yīng)用的初級(jí)階段?！苯鈽s軍說，其主要原因在于高質(zhì)量的量子點(diǎn)材料通常需要復(fù)雜的工藝和原材料制造，高昂的制造成本限制了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展；一些量子點(diǎn)材料可能含有鎘等有害元素，對(duì)環(huán)境和人類健康造成潛在威脅；直流電通過量子點(diǎn)薄膜會(huì)發(fā)生量子點(diǎn)充電，隨著量子點(diǎn)帶電，電流通過器件并維持量子點(diǎn)電致發(fā)光變得越來越困難等。

在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要優(yōu)勢(shì)

量子點(diǎn)顯示只是一道“開胃菜”。量子點(diǎn)材料并未止步于顯示，生物成像、傳感器、太陽能電池等都將成為它的應(yīng)用落地場(chǎng)景。

“今天，量子點(diǎn)材料已成為納米技術(shù)中不可或缺的部分，在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，量子點(diǎn)材料都具有廣泛的應(yīng)用?！苯鈽s軍表示，量子點(diǎn)材料抗退化，亮度是有機(jī)染料的10—20倍，該特性可以使量子點(diǎn)熒光探針對(duì)細(xì)胞生命過程進(jìn)行更長時(shí)間的跟蹤；量子點(diǎn)材料具有化學(xué)惰性且具有較大的比表面積，保證了較高的載藥能力，因此可以在生物系統(tǒng)中標(biāo)記納米載體，適用于治療性藥物輸送；量子點(diǎn)材料還具有表面修飾的可行性，可以通過相互作用與肽、碳水化合物、DNA片段、病毒和天然產(chǎn)物進(jìn)行生物偶聯(lián)。這些應(yīng)用不僅顯示了量子點(diǎn)材料在生物醫(yī)學(xué)研究中的潛力，也為我們提供了探索生命過程和疾病治療的新途徑。

楊曉光表示，目前我國在量子點(diǎn)材料研究及其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，均處于國際先進(jìn)水平。量子點(diǎn)材料很有希望成為我國在光電、信息、顯示等領(lǐng)域的“強(qiáng)手棋”。

楊曉光說，目前我國數(shù)據(jù)中心加速建設(shè)，能耗成為關(guān)鍵卡點(diǎn)。高密度的光電器件在工作中產(chǎn)生大量的熱，光電器件性能對(duì)溫度又非常敏感，因此數(shù)據(jù)中心需要大量的能量進(jìn)行光電器件的降溫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，溫控能耗占了中心總能耗的四成左右。如果采用可高溫工作的量子點(diǎn)激光器，數(shù)據(jù)中心的能耗將大幅降低?！案邷貓?chǎng)景只是量子點(diǎn)激光器的應(yīng)用環(huán)境之一，其在高密度片上光電集成、高精度測(cè)量、光量子生成等領(lǐng)域中已展現(xiàn)出重要優(yōu)勢(shì)。”楊曉光說。

“諾貝爾獎(jiǎng)的頒布帶動(dòng)了量子點(diǎn)材料的關(guān)注度，有望進(jìn)一步推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，使其在更多領(lǐng)域發(fā)揮價(jià)值?！苯鈽s軍表示，正如諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)介紹材料中所說：我們才剛剛開始探索量子點(diǎn)的潛力。