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量子点材料有望成为我国优势产业\n近日,工信部和国务院国资委联合发布了首批前沿材料产业化重点发展指导目录,旨在加速前沿材料产业化的创新发展。
新材料产业是战略性和基础性产业,前沿材料代表着新材料产业发展的方向和趋势,是构建新的增长引擎的关键领域。从今天开始,本版将推出“前沿材料观察”系列报道,深入解析前沿材料的创新研究方向、产业发展现状及未来应用前景。2023年诺贝尔化学奖最近颁发给了“量子点”。因 “发现和合成量子点”,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)在 2023 年获得了诺贝尔化学奖。量子点是一种微小颗粒,已广泛应用于多个领域。比如说,电视屏幕和LED灯都与量子点有关,它们能够促进化学反应,发出的光线也可以用于照亮外科医生的肿瘤组织。我国在《前沿材料产业化重点发展指导目录(第一批)》中,明确提出了发展量子点材料,这一战略具有非常重要的意义。中国科学院半导体研究所的研究员杨晓光告诉科技日报记者说,我国在量子点材料相关的科研和产业方面都处于国际领先地位,可以将其发展为我国未来的支柱产业。“量子点也被称为‘人工原子’,是一种准零维的纳米材料,由少量原子构成,具有高发光效率、高色纯度、高色域和可溶液加工等特点。”量子点材料包括蓝色磷光材料和硅基量子点频梳激光器材料等,是可应用于新一代信息技术等领域的材料类型。量子点,又称为半导体纳米晶体,是由少量原子组成的零维纳米结构,其三维尺寸通常在1至100纳米之间。厦门大学材料学院的教授解荣军指出,一个量子点含有极少量的电子、空穴或电子-空穴对,因此也被称为“人工原子”。在量子点材料中,胶体量子点是研究和应用最为广泛的一种材料。通常情况下,制备胶体量子点材料都是采用化学合成的方法。具体操作是将金属有机物或无机物的溶液通过溶胶固化的方式形成量子点,然后将其分散在溶剂中。量子点的发现是偶然的,与许多影响人类发展进程的重大发现一样。1980年,阿列克谢 I.叶基莫夫在研究彩色玻璃时,发现了纳米颗粒尺寸对性质的影响,这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时提出了量子点光学性质的尺寸效应;至于蒙吉 G.巴文迪,他在1993年提出了“热注射法”,这一方法具有划时代意义,可以制备均匀、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。三位科学家的开创性工作为量子点技术的发展铺平了道路,使其从实验室走向实际应用。这些具有独特量子特性的纳米粒子,为现代科技的发展提供了广阔的前景。解荣军所言。杨晓光介绍说,在半导体领域,1986年,日本东京大学的荒川教授提出并预测了半导体材料由二维量子阱演变为零维量子点后其性能的变化。未来,利用量子点材料制造光电器件,尤其是激光器,已经成为重要的技术发展方向。一个典型的例子是,量子点激光器在高达200℃的温度下依然能够正常运行,这大大超过了传统半导体激光器的最高工作温度。
在高清显示领域率先应用了量子点材料。解荣军介绍说,量子点材料在高清显示领域有着最大的商业价值,包括电视、电脑、平板电脑、手机等领域,市场规模达到了万亿级别。在准确控制下,不同尺寸的量子点在受到外部能量激发后,能够发出相应波长的光,这是量子点材料在显示应用中的首要优势。量子点材料的另一个重要优点在于其发光光谱非常窄,这使得其发光颜色非常纯净,从而能够使显示屏呈现更加鲜艳、更加真实的颜色。量子点材料的第三个重要优势是其溶液加工性,这意味着它们的加工成本低且与多种化学溶剂兼容。当量子点材料问世初期,就有学者根据它独特的光电特性预测,认为它的主要应用领域将首先集中在电子和光学方面。显示产业一直是率先推动量子点技术落地的领域。2013年,索尼公司率先推出了采用量子点背光源技术的液晶电视,使得液晶显示屏再次具备与OLED竞争的实力。2016年,TCL公司推出了采用量子点背光技术的液晶电视。自那时起,量子点材料在国内外中高端液晶电视、显示器、笔记本电脑和平板电脑上得到了广泛应用。量子点材料使得显示屏更具柔韧性,像素更加紧密,色彩表现更丰富。杨晓光表示。当前,商业化的量子点背光源技术(QD-LCD)仍处在量子点显示技术应用的起步阶段。据解荣军介绍,导致量子点技术难以商业化应用的主要原因是材料的制造成本过高,因为高品质的量子点材料需要经过复杂的工艺和原材料制造。此外,一些量子点材料可能含有对环境和人类健康有害的元素,如镉等,这也是制约技术发展的一大难题。此外,通过量子点薄膜的直流电会导致量子点充电,增加了维持量子点电致发光的困难度。在多个领域展现出重要优势的量子点显示,只是一个很有吸引力的开始。量子点材料的应用领域不仅局限于显示屏,还可广泛应用于生物成像、传感器、太阳能电池等领域。如今,量子点材料已成为纳米技术的重要组成部分,并在生物化学和医学等领域得到了广泛应用。解荣军指出,量子点材料具有抗退化的特性,其亮度是有机染料的10至20倍。这种特性使得量子点荧光探针能够更长时间地追踪细胞的生命过程。此外,量子点材料具有化学惰性和较大的比表面积,因此具备较高的载药能力,适用于在生物系统中标记纳米载体,以进行治疗性药物输送。同时,量子点材料还具有表面修饰的可行性,可以与肽、碳水化合物、DNA片段、病毒和天然产物等进行生物偶联。这些应用不仅展示了量子点材料在生物医学研究方面的潜力,同时也开辟了探索生命过程和治疗疾病的新途径。杨晓光表示,目前我国在量子点材料的研究和产业应用方面已达到国际先进水平。量子点材料有望在我国光电、信息、显示等领域发挥重要作用。目前,我国正加速建设数据中心,而能耗已成为关键的问题。高密度的光电器件在运行时会产生大量热量,而光电器件性能对温度非常敏感,因此数据中心需要大量能量来降低光电器件的温度。根据数据统计,温控能源消耗占据中心总能源消耗的大约四分之一。如果使用能够高温工作的量子点激光器,数据中心的能源消耗将会大幅减少。高温环境只是量子点激光器的应用场景之一,其在高密度芯片光电集成、高精度测量、光子生成等领域已经展现出重要优势。杨晓光说。“诺贝尔奖的颁发引起了人们对量子点材料的关注,并有望进一步推动其产业化发展,让它在更多领域发挥作用。”解荣军说,就像诺贝尔奖的介绍材料所言,我们才刚刚开始探索量子点的潜力。