信息显示领域冉冉升起的新星——量子点显示技术

 孙艺哲

北京大学信息工程学院

        21世纪是信息化的时代，作为传递信息最为直观生动的途径，显示技术的每一次突破都会吸引全世界的目光。毫无疑问，信息显示已经成为全球最为瞩目的技术行业并在近几十年内得到了突飞猛进的发展。从传统的阴极射线管（CRT）到如今的液晶显示（LCD）以及有机发光二极管（OLED），技术革新的飞速脚步让我们不得不惊叹于这一领域所蕴藏的强大生命力。如今，在这广袤天空的一隅，一颗冉冉升起的新星越发变得明亮，逐渐成为人们热议的话题，它便是量子点显示技术。

回顾显示技术的发展历程，可还记得被戏称为“大头”的CRT显示器？随着发光二极管（LED）与液晶的普及应用，CRT慢慢淡出了人们的视野，取而代之的LCD成为时代的潮流，统领了显示领域的大半江山。在这之后，视角更宽、对比度高、更加轻薄并可以主动发光的OLED让人们看到了挑战LCD的希望，OLED技术也在最近的十年内得到了长足的进步，LCD走下神坛的那一刻似乎越来越近……然而，由于应用了大量的有机材料，OLED的可靠性问题成为一道难以逾越的鸿沟，居高不下的成本迫使OLED难以在大屏领域广泛应用。当OLED前进的脚步渐行渐缓时，一部分研究人员开始将关注的焦点转移到其他方向，就在这时，基于量子点的显示技术渐渐走入到人们的视野，也引起了业界的广泛讨论，量子点显示技术究竟魅力何在？

所谓量子点，如图1所示，指的是一种准零维的纳米材料，它由有限数目的原子团簇而成，其尺寸在纳米量级，因此又可称为纳米点或纳米晶。由于半径小于或接近体材料的激子波尔半径，量子点有着非常显著的量子限域效应。就像图2展现的那样，在物理尺寸较小的量子点内，由于载流子在各方向上的运动都受到局限，原本连续的能带结构会变成准分立的能级，使得材料有效带隙增大，进而辐射出能量更高、波长更短的光子。不难看出，对于同一种材料的量子点，随着物理尺寸的不断缩小，其发射光谱就可以实现红光到蓝光的过渡，这也造就了量子点最引人注目的特性——光谱可调性。除此之外，量子点发射光谱半峰宽较窄，有着良好的色纯度和色饱和度，所能表达的色域面积也要优于传统的高清电视。因此，出色的色彩还原能力也成为其备受人们青睐的原因之一。更为重要的一点，量子点是一种无机半导体材料，它所表现出的环境稳定性是有机发色团无法企及的，这也让人们普遍看好其在显示领域的应用前景。

图2 量子限域效应

目前，量子点显示技术主要包括了两种类型，分别是基于量子点的背光源技术以及量子点发光二极管显示技术（QLED）。对于量子点而言，其在短波域的吸收非常强烈，利用这一特性，量子点便可作为理想的光致发光材料，在有效地吸收蓝光后辐射出其它指定的色光。比如说，量子点在蓝光LED背光照射下生成红光和绿光，并同其余透过薄膜的蓝光一起混合得到白光，便可以提升整个背光系统的发光质量。目前，一些高端面板中就已经应用了量子点背光源技术。

众所周知，三星公司向来都是OLED技术的忠实拥趸，其在中小尺寸AMOLED市场占据的份额可谓遥遥领先，然而，就是在2014年，三星却宣布暂缓OLED电视计划，将OLED电视打入“冷宫”，逐渐将重心转向量子点电视市场并推出了SUHD系列产品，如图3所示。国内方面，许多企业也意识到了量子点背光技术带来的巨大机遇，TCL、海信等公司已经推出了采用量子点背光技术的液晶电视，而这一技术也得到了京东方、华星光电等面板厂商的支持。

图3 三星第二代SUHD量子点电视
另一方面，基于量子点发光二极管的显示技术虽然仍未实现商业应用，但已经成为显示领域最为火热的研究方向，展现了超越背光源技术的独特优势。对于主动发光的QLED器件，其基本结构与工作机理和OLED之间存在诸多相似之处。如图4所示，在经典的三明治结构中，电子和空穴分别通过电子传输层和空穴传输层注入到量子点发光层中，进而形成激子复合发光，这一过程即为电荷的直接注入，它可以有效地削弱光致发光过程中造成的能量损失，有利于发光效率的进一步提升。与此同时，成本低廉、可大面积制备的溶液法工艺在QLED中得到了延续，这也将极大地推动QLED的商业化进程。

图4 QLED的基本结构与工作原理

随着近些年科学研究的逐渐深入，QLED的器件性能已经提升到了一个全新的高度，不论是器件的发光效率还是最大亮度，其与OLED间的差距变得越来越小。目前而言，高性能红光与绿光QLED的研究工作已经有所突破，针对高效率蓝光QLED的研究也在如火如荼地进行。不论是科研机构还是制造厂商，我们都必须清醒地意识到，能够主动发光的QLED屏幕的实现才是量子点显示技术发展的究极形态。

理想与现实之间的道路终究是崎岖坎坷的，对于量子点显示技术而言，虽然展现出了诸多的优势并在部分产品中成功得到应用，要想实现大面积普及却还有很长的路要走。尤其是针对QLED的研究，还有许多问题亟待人们解决。不论是发光原理还是效率问题，基础物理机制的构建还并不完善；高效率量子点的合成是关注的重点，氧化物传输材料的出现为我们提供了新的思路，新材料的探索与尝试层出不穷，但我们的研究方向似乎需要更加明确；器件寿命与生产成本永远是摆在商业化面前的两座大山，一系列现实的问题决定了量子点显示技术今后的命运。总而言之，量子点显示技术带给了我们无限的遐想，那就让我们努力把理想化成现实，在追求高效率、高亮度、低电压、低成本的道路上，坚持不懈地努力下去，期待这颗冉冉升起的新星照亮生活中的每一个角落。

编著语:北京大学深圳研究生院信息工程学院为更多有志于向信息显示技术方向转型的高级技术人才提供一个专门的学科平台——（信息显示技术专业在职研究生班 http://www2.pkuece.cn），该班面向社会招生，2016年招生持续进行中。