编辑的话：2014年10月，诺贝尔物理学奖被授予发明了蓝光发光二极管的赤崎勇、天野浩和中村修二。几十天后，一篇发表在《自然》上的论文报道了中国科学家在量子点发光二极管（QLED）领域取得的重要研究进展。论文的第一作者为科学人撰文介绍了这项浙江大学化学系彭笑刚课题组与材料系金一政课题组合作的研究成果。
光是能量的一种形式。当某物质中的电子从一个高能级跃迁到一个相对较低的空能级，能量就会被释放——如果这份能量以光的形式表现出来，我们就会看到这个物质在发光。
电子与空穴
在半导体材料中，价带能级不被电子占据的空能级状态被称为“空穴”。如果电子掉进空穴，就会发出光子，这被称为“电子空穴复合”。然而，能复合的电子和空穴在物质中并不是常存在的，复合过程需要电激发或光激发。发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）便是电激发的发光器件。
发光二极管通电时，电子和空穴分别从阴极和阳极被注入，在电场作用下发生迁移。它们在相遇时有可能发生复合。和在茫茫人海中找到相爱的人一样，电子和空穴要发生复合也不是一件容易的事。它们得有缘邂逅彼此，而且“含情脉脉”——能发生相互作用形成电子-空穴对，最终才能在适合条件下复合，发出它们幸福的象征：光子。
自由电子（Free electron）与空穴（Hole）复合发出光子（Photon）示意图。图片来源：ecse.rpi.edu
发光二极管的效率与电子空穴复合的几率息息相关。为了保证一个较高的复合效率，我们常会提供一个复合介质，即“发光材料”。在这类材料里安排电子和空穴“相亲”，成功几率会大大提高。除了安排相亲地点，我们还得保证电子和空穴的数量相当——如果相亲会上男女比例悬殊，成功几率必然是低的。
发光二极管的难处
目前，氮化镓（GaN）量子阱LED是LED市场上的主流产品。以GaN蓝光LED为基础的固态照明技术，具有转换效率高、寿命长、亮度高的特点，被誉为人类第三次照明革命。然而，GaN基量子阱LED的制备需要以超高真空、超纯原料作为条件，而且后期需要复杂的切割和封装工艺，导致高成本和高能耗的问题。为了规避这些问题，显示产业和照明产业都选择了蓝光LED与下转换稀土荧光粉结合的，成本相对较低的生产路线。但该路线导致光质量偏低、色域不能完全满足要求。
与GaN量子阱LED不同，有机发光二极管（OLED）器件的发光中心为有机分子，因而可以用热蒸镀沉积方法制备。而聚合物发光二极管（PLED）可通过溶液工艺，大大降低制备成本，制备大面积器件，同时提高制备效率。然而，有机发光中心受热稳定性和化学稳定性影响，有着器件寿命短，良品率低的缺点，对封装工艺也要求苛刻。
在量子点上复合
在发表于《自然》的这项研究中，我们合成了一种量子点（quantum dots）材料作为发光材料。量子点是一种半导体纳米晶体，三个维度的尺寸都在100 nm以下。当量子点尺寸小到一定程度，由于量子限域效应，其能带结构发生变化，发光光谱随尺寸可调，发光半峰宽很窄。使用不同尺寸的量子点，我们将会看到不同的颜色，而且色彩非常鲜艳，从红光到蓝光，色彩斑斓。
CdSe/Zns组成的核/壳结构量子点。从中发出的光随量子点的尺寸变化而变化。图片来源：Talapin, Dmitri V., and Jonathan Steckel. Quantum dot light-emitting devices. Mrs Bulletin 38.09 (2013): 685-691.
量子点是非常优异的发光介质，只要电子和空穴一对一的进入到量子点，就会复合发光，其发光量子效率可以高达100%。同时，由于量子点为无机发光材料，具有较好的光化学稳定性，是作为二极管发光光源的理想选择。此外，由于量子点尺寸很小，且在表面包覆有一层配体，可以分散在很多溶剂里，使其可以走溶液加工路线。正因为具备这些特点，量子点发光二极管（QLED）有望结合GaN量子阱LED与OLED两者的优势，而克服两者的缺点，成为新一代的显示和照明光源。
然而，尽管已经经过20年发展，QLED的综合性能——包括效率、寿命、加工工艺——还远远落后于人们的期待。造成这个局面的原因，包括量子点与QLED器件适配性和QLED特殊结构两个方面：以CdSe为核的核/壳结构量子点不利于空穴的有效注入，却不妨碍电子的有效注入。因此，目前QLED器件普遍存在载流子注入不平衡的问题，即到量子点中参加“相亲”的电子空穴数量不匹配。这势必降低了复合效率。
实验室里的“月老”
针对这一问题，研究者想方设法地促进空穴更有效地被注入量子点。空穴不易注入的其中一个原因是注入势垒比较大：想象一个女孩子在走楼梯，台阶太高，她就只能走得很慢甚至走不上去。那如果在两个台阶之间再架一个小台阶，是不是更容易让女孩子走呢？基于这一想法，我们在QLED器件结构中空穴注入量子点前再插入一层空穴传输层，这一传输层的特性是最高分子占据轨道（HOMO）更深一些，相当于给空穴注入再提供一个台阶。实验结果证明，这一想法确实有效。提供台阶后，空穴注入得更加顺利，使得到量子点中参加“相亲”的空穴数量增加，提高复合效率，QLED性能提升了近50%。
可即便如此，相比于其它LED，QLED效率仍然偏低，也远没有达到理论极限。那提升空间在哪里？前面提到，电子能很有效地被注入量子点。延续上面的想法，把空穴当成了女孩子，那电子也可以是男孩子。这一对男女需要在“楼梯顶”相遇，如果女孩子走不快，那么让男孩子更有绅士风度，走得慢一些？
基于上面的考虑，我和同事们提出了全新的器件结构，在ZnO电子传输层和量子点发光层间插入一层超薄绝缘层。这一绝缘层能有效降低电子注入速率，抑制电子过多注入，同时能保持量子点高发光效率。通过有效抑制过多电子，使得QLED器件中载流子平衡注入，实现LED高效率发光，从而提升器件稳定性。通过加速测试实验，QLED器件在初始亮度为100Cd/m2的条件下，半衰寿命超过10万小时。
QLED多层结构示意图（左）与电镜图片（右）图片来源：研究论文
这一系列的实验结果验证了量子点发光二极管的实用性。这进而预示着，QLED有望在照明与显示两个产业中扮演更重要的角色。显示和照明都需要白光或者三色光（红、绿、蓝），我们团队接下来将在保持低成本的溶液制备工艺的前提下，开发出各色发光波长的高效QLED，让电子和空穴复合产生的光子照耀千家万户。（编辑：Calo）
参考文献：
- Dai, Xingliang, et al. Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots. Nature (2014).