项目成果科普性介绍

2023年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将今年诺贝尔化学奖授予三名科学家蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·伊基莫夫，以表彰他们在发现和合成量子点方面所作出的贡献。量子点是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20 nm之间。常见的量子点有IV族（硅、锗）量子点、II-VIII族（硫化镉、硒化镉）量子点、III-V族（磷化铟、砷化铟）量子点、钙钛矿（CsPbBr3、CsPbI3等）纳米晶等。

量子点是一种纳米级别的半导体，通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定频率的光，而发出的光的频率会随着这种半导体的尺寸的改变而变化，因而通过调节这种纳米半导体的尺寸就可以控制其发出的光的颜色，由于这种纳米半导体拥有限制电子和电子空穴的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。

量子点已成为纳米技术的重要工具，并出现在商业化的产品中。研究人员主要利用量子点来产生彩色光。如果用蓝光照射量子点，它们会吸收光并发出一种不同的颜色。通过改变粒子的大小，我们可以精准确定它们的发光颜色。量子点因其精确可控的能级结构，作为发光材料具有色域宽、颜色纯等优点，满足未来高清显示技术如Micro-LED、QLED的高分辨率、低能耗、柔性化的要求，代表了新一代显示技术的发展趋势。

在国家战略层面，柔性显示器件是《国家“十三∙五”发展规划》和《中国制造2025》等规划中的重点研究方向。量子点显示作为未来高清显示的发展方向，在应用端仍存在多个尺度上的挑战：在量子点层面，环境敏感导致的配体脱落、水氧侵蚀会产生缺陷态，降低发光效率；在微米像素单元层面，载流子不平衡产生焦耳热、电场下离子迁移会导致器件性能退化；在宏观显示层面，存在水氧侵蚀导致器件界面剥离、刚性封装结构导致不可弯曲等问题。因此亟需发展跨尺度的稳定化方法，以满足相应的宽色域、长寿命、轻薄化等应用指标。基于量子点其在制造过程及使用环境中的稳定性制约着从实验室样品制备走向工业化批量制造，而现有制造工艺存在高成本、低良率的劣势，所以寻找可实现从器件集成与封装（宏观尺度）、像素单元（微观尺度）到量子点单体（纳米尺度）的跨尺度稳定化制造工艺方法成为当前亟待解决的问题。

项目研究团队发展了一套从量子点单体改性到柔性量子点光电器件集成封装的跨尺度制造工艺体系，提出了“选择性钝化-原子级包覆-微球复合”多尺度稳定化方法，制备的量子点光致发光膜在强蓝光照射50小时下发光强度不衰减，在已报道的同类型量子点中稳定性最优，并实现了宽色域量子点背光显示屏幕和高流明白光LED应用；发展了面向器件结构发光层高深宽比纳孔原子级填充和界面制造工艺，结合智能优化方法，首次实现外量子效率超过16%、寿命超172万小时的量子点发光二极管；发展了一套耦合反应机理、动态形核、介观传质与宏观流动的原子层沉积制造工艺跨尺度模拟方法，实现了原子尺度到反应器尺度原子层沉积制造工艺优化；突破针对环境敏感发光显示材料的微纳颗粒的场耦合原子层包覆关键技术，成果通过中国机械工业联合会鉴定，评价为“整体技术达到了国际领先水平”；研发了高阻隔性叠层膜的柔性封装技术，水汽阻隔性能达~10-6 g/m2*day，与武汉华星光电合作开发的柔性复合封装层弯折半径为5 mm时，弯折次数30000次以上无裂纹；自主研制了面向大面积柔性量子点显示稳定化制造的空间隔离原子层沉积装备，最高沉积速率可达100 nm/min，是所见报道的国际最高水平，发展了卷到卷柔性封装膜快速制造与在线检测一体化平台，实现在振动干扰下膜厚测量误差<1 nm。 项目成果在国际著名期刊Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.上发表论文共 90篇，授权国际专利2项，国家专利50项，成员获得中国青年科技奖、科学探索奖、中国科协求是杰出青年成果转化奖等20余项奖励，相关技术和设备支撑了光峰科技的强激光投影与照明产品、武汉华星光电T4生产线应用和京东方技术创新中心阻隔膜的研发，完成了江苏晟成光伏-湖北京山轻机专利成果转化。

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