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北理工材料学院在新型量子点材料及其照明显示应用方面取得系列进展

文章来源:  发布时间:2016-02-01

来源:校园网   编辑:科学技术研究院 包成刚

  照明和显示是国民经济的重要支柱型产业,年产值超千亿美元。与其相关的新材料,是推动产业升级换代的重要基础,如日本科学家发明的GaN掺杂技术产生了庞大的白光LED产业,柯达公司发明的有机电致发光(OLED)技术掀起了柔性显示的技术革命。半导体量子点,兼具无机半导体能带调控的优势和有机半导体的加工特性,能够弥补上述技术在面光源照明、高性能显示应用中的不足,成为产业界广泛关注的下一代技术。值得关注的是,基于量子点背光源技术的液晶显示器已经成功走向商业化。然而,目前研究主要限于具有核壳结构的经典量子点材料(特别是CdSe类材料),高质量量子点材料,一般采用高温热注入技术制备,产业化仍面临工艺复杂、成本高等挑战。因此,寻求新型低成本量子点材料是解决上述挑战,取得原创性突破技术的重要思路。

  依托材料学院和纳米光子学北京市重点实验室的研究平台,钟海政教授带领学生,围绕新型量子点材料及其照明显示应用开展研究,通过与邹炳锁教授的密切合作以及校内外的广泛合作,取得了系列研究进展,在国际同行中产生了较大的影响。

  针对面光源照明的应用需求,前期研究他们重点发展了低毒、低成本三元铜铟硫(CuInS2)系列量子点材料(其中4篇代表性论文成为ESI高被引论文),在世界上率先实现了百克量级的小试放大(如图1,授权中国发明专利:ZL 201110259596.3),制备出高显色性能、高效率的远程白光LED灯具(Nanoscale 2013, 5, 3514;Optics Express 2013, 21, 10105;第十三届大学生“挑战杯”科技发明类一等奖)。最近,发展了高效、快速的配体交换技术,与河南大学申怀彬副教授、长春光机所纪文宇副研究员合作,实现了高效率的电致发光器件(亮度和效率均为此类量子点报道的最高值),为制备电致发光LED面光源奠定了基础(Chem. Mater. 2016, DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b04480)。

图1 CuInS2量子点的小试放大及其远程白光LED灯具和电致发光显示应用

  针对显示应用需求,自2013年开始在国际上率先开展了有机无机杂化钙钛矿量子点材料的研究,与董宇平教授等人合作,发现了钙钛矿材料的聚集诱导荧光特性(Adv. Opt. Mater. 2015, 3, 112 该期刊2014.07-2015.07阅读最多的10篇论文之一);利用该特性,建立了室温再沉淀和微乳液制备钙钛矿量子点技术(国际专利申请:PCT/CN2015/092497),获得了颜色可调、发光效率高的钙钛矿量子点材料(见图2),与华中科技大学韩俊波教授合作,阐明了尺寸减小和有效包覆提高量子点荧光量子产率的物理机制,在此基础上,展示了高显色性的宽色域白光LED原型器件(~130% NTSC标准,重合度~96%,ACS Nano 2015, 9 4533,ESI高被引论文,被Materials View China网站和《科学通报》英文版作为亮点报道);与加州大学洛杉矶分校(UCLA)的裴启兵教授小组合作,实现了高效率的绿光电致发光LED器件,为钙钛矿材料的电致发光显示提供了新技术路线(ACS Appl. Mater. Interface 2015, 7, 28128,该期刊当月阅读最多的20篇论文之一)。
图2 钙钛矿量子点及其LED应用

  与正在产业化过程中的CdSe类量子点相比(见表1),铜铟硫和钙钛矿量子点具有成本低廉、工艺简单等特点,在照明和显示领域具有明显的优势,是极具产业化前景的新材料。已申请中国发明专利12项,其中4项获得授权,正在与京东方、宇极科技等企业单位合作,开发具有商业化前景的低成本量子点照明和显示技术。

表1 量子点应用性能参数分析

  上述进展得到了国家自然科学基金委、科技部973计划、北京市科技新星、北京市青年英才以及校重大项目培育计划、校优秀青年教师资助计划和“青年教师重返母校计划”的支持。近5年来,发表学术论文40篇(其中第一/通讯作者28篇),被包括Science、Nature Nanotechnology、Nature Communication等国际期刊他人引用>600次,3篇入选ESI高被引论文,受邀在欧洲显示2015年会、美国第228th电化学学会年会显示材料分会等国际会议上,做学术邀请报告10余次。获得北京市科委新材料中心举办的 “纳米之星”创业大赛中团队组(80家团队参赛)第二名。

(审核:胡晓珉)