近日，工信部和國務院國資委聯合發布了第一批前沿材料產業化重點發展指導目錄，旨在加快前沿材料產業化創新發展。新材料產業是戰略性、基礎性產業，前沿材料代表新材料產業發展的方向與趨勢，是構建新的增長引擎的重要切入點。今起，本版推出“前沿材料觀察”系列報道，對前沿材料的創新研究方向、產業發展現狀、未來應用前景等進行深入解讀。

 

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

 

　　量子點是一類微小顆粒，已經應用在多個領域。例如，電視屏幕和LED燈的光線傳導都與量子點相關，它們可以催化化學反應，發出的光線也能為外科醫生照亮腫瘤組織。

 

　　“我國在《前沿材料產業化重點發展指導目錄（第一批）》中，就明確提出發展量子點材料，這是非常具有戰略眼光的。”中國科學院半導體研究所研究員楊曉光對科技日報記者表示，“我國在量子點材料相關科研和產業方面，均處于國際領先水平，可將其打造為我國未來的長板產業。”

 

　　量子點也被稱為“人工原子”

 

　　量子點材料是一種準零維的納米材料，由少量的原子構成，具有高發光效率、高色純度、高色域、可溶液加工等特點。量子點材料具體包括藍色磷光材料、硅基量子點頻梳激光器材料等，可應用于新一代信息技術等領域。

 

　　“量子點也稱為半導體納米晶，是少量原子組成的、三個維度尺寸通常是1—100納米的零維納米結構。”廈門大學材料學院教授解榮軍表示，一個量子點具有少量的電子、空穴或電子—空穴對，量子點也被稱為“人工原子”。在量子點材料中，膠體量子點材料是研究、應用最廣泛的一類。膠體量子點材料通常采用化學合成方法制備，具體操作是將金屬的有機或無機物溶液溶膠固化形成量子點，分散于溶劑中。

 

　　與諸多改變人類發展進程的重大發現一樣，量子點也是被偶然發現的。阿列克謝I.葉基莫夫于1980年在研究彩色玻璃時發現了納米顆粒的尺寸依賴性質，標志著量子點的發現；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光學性質的量子尺寸效應；蒙吉G.巴文迪于1993年提出了具有劃時代意義的“熱注射法”，制備出了均勻、尺寸可調的高質量量子點，極大地推動了該研究領域的發展。三位科學家的突破性工作為量子點技術的發展鋪平了道路，將其從實驗室推向實際應用。“這些納米級的粒子，因其獨特的量子性質，為現代科技帶來了廣闊的發展前景。”解榮軍說。

 

　　據楊曉光介紹，在半導體領域，1986年，日本東京大學的荒川教授（Arakawa）提出并預測了半導體材料結構從二維量子阱演變到零維量子點后材料性能的變化。此后，將量子點材料應用于光電器件，特別是激光器成為重要的技術發展趨勢。一個典型例子是量子點激光器可以在200℃的高溫下正常工作，遠超傳統半導體激光器的工作溫度上限。

 

　　率先在高清顯示行業應用落地

 

　　據解榮軍介紹，量子點材料最具商業價值的應用是在高清顯示領域，包括電視、電腦、平板電腦、手機等，具有萬億級市場規模。在精確控制下不同尺寸的量子點，在受到外來能量激發后，可發出對應波長的光，這是量子點材料用于顯示應用的第一個關鍵優勢。量子點材料的第二個關鍵優勢是它們的發光光譜非常窄，使得其發光顏色異常純凈，使顯示屏幕可以呈現更鮮艷、更真實的顏色。溶液可加工性是量子點材料的第三個關鍵優勢，這意味著材料加工成本低且與多種化學溶劑有兼容性。

 

　　量子點材料問世之初，就有學者根據量子點獨特的光電特性預測，其主要應用領域將首先集中在電子與光學方面。事實上，率先推動了量子點技術落地的領域，正是顯示產業。2013年，日本索尼公司率先發布了量子點背光源的液晶電視，使液晶顯示（LCD）再次具備與有機發光二極管（OLED）一競高下的實力。國內企業TCL在2016年推出搭載量子點背光的液晶電視，此后，量子點材料廣泛應用于國內外中高端液晶電視、顯示器、筆記本、平板電腦中。“量子點材料使得顯示屏可以更柔性、像素更密、色域更寬。”楊曉光說。

 

　　“目前，商用的量子點背光源技術（QD-LCD）仍屬于量子點顯示應用的初級階段。”解榮軍說，其主要原因在于高質量的量子點材料通常需要復雜的工藝和原材料制造，高昂的制造成本限制了大規模商業化應用的發展；一些量子點材料可能含有鎘等有害元素，對環境和人類健康造成潛在威脅；直流電通過量子點薄膜會發生量子點充電，隨著量子點帶電，電流通過器件并維持量子點電致發光變得越來越困難等。

 

　　在多個領域展現出重要優勢

 

　　量子點顯示只是一道“開胃菜”。量子點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用落地場景。

 

　　“今天，量子點材料已成為納米技術中不可或缺的部分，在生物化學、醫學等領域，量子點材料都具有廣泛的應用。”解榮軍表示，量子點材料抗退化，亮度是有機染料的10—20倍，該特性可以使量子點熒光探針對細胞生命過程進行更長時間的跟蹤；量子點材料具有化學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中標記納米載體，適用于治療性藥物輸送；量子點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、病毒和天然產物進行生物偶聯。這些應用不僅顯示了量子點材料在生物醫學研究中的潛力，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，目前我國在量子點材料研究及其產業應用方面，均處于國際先進水平。量子點材料很有希望成為我國在光電、信息、顯示等領域的“強手棋”。

 

　　楊曉光說，目前我國數據中心加速建設，能耗成為關鍵卡點。高密度的光電器件在工作中產生大量的熱，光電器件性能對溫度又非常敏感，因此數據中心需要大量的能量進行光電器件的降溫。據統計，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激光器，數據中心的能耗將大幅降低。“高溫場景只是量子點激光器的應用環境之一，其在高密度片上光電集成、高精度測量、光量子生成等領域中已展現出重要優勢。”楊曉光說。

 

　　“諾貝爾獎的頒布帶動了量子點材料的關注度，有望進一步推動其產業化發展，使其在更多領域發揮價值。”解榮軍表示，正如諾貝爾獎頒獎介紹材料中所說：我們才剛剛開始探索量子點的潛力。

 

　　來源：科技日報