編者按 

近日，工信部和國務院國資委聯合發布了第一批前沿材料產(chan) 業(ye) 化重點發展指導目錄，旨在加快前沿材料產(chan) 業(ye) 化創新發展。新材料產(chan) 業(ye) 是戰略性、基礎性產(chan) 業(ye) ，前沿材料代表新材料產(chan) 業(ye) 發展的方向與(yu) 趨勢，是構建新的增長引擎的重要切入點。今起，本版推出“前沿材料觀察”係列報道，對前沿材料的創新研究方向、產(chan) 業(ye) 發展現狀、未來應用前景等進行深入解讀。

日前，2023年諾貝爾化學獎花落“量子點”。美籍法國–突尼斯裔化學家蒙吉 G.巴文迪(Moungi G.Bawendi)，美國化學家路易斯 E.布魯斯(Louis E.Brus)和俄羅斯物理學家阿列克謝 I.葉基莫夫(Alexei I. Ekimov)因“發現和合成量子點”獲得2023年諾貝爾化學獎。

量子點是一類微小顆粒，已經應用在多個(ge) 領域。例如，電視屏幕和LED燈的光線傳(chuan) 導都與(yu) 量子點相關(guan) ，它們(men) 可以催化化學反應，發出的光線也能為(wei) 外科醫生照亮腫瘤組織。

“我國在《前沿材料產(chan) 業(ye) 化重點發展指導目錄(第一批)》中，就明確提出發展量子點材料，這是非常具有戰略眼光的。”中國科學院半導體(ti) 研究所研究員楊曉光對科技日報記者表示，“我國在量子點材料相關(guan) 科研和產(chan) 業(ye) 方麵，均處於(yu) 國際領先水平，可將其打造為(wei) 我國未來的長板產(chan) 業(ye) 。”

量子點也被稱為(wei) “人工原子”

量子點材料是一種準零維的納米材料，由少量的原子構成，具有高發光效率、高色純度、高色域、可溶液加工等特點。量子點材料具體(ti) 包括藍色磷光材料、矽基量子點頻梳激光器材料等，可應用於(yu) 新一代信息技術等領域。

“量子點也稱為(wei) 半導體(ti) 納米晶，是少量原子組成的、三個(ge) 維度尺寸通常是1—100納米的零維納米結構。”廈門大學材料學院教授解榮軍(jun) 表示，一個(ge) 量子點具有少量的電子、空穴或電子—空穴對，量子點也被稱為(wei) “人工原子”。在量子點材料中，膠體(ti) 量子點材料是研究、應用最廣泛的一類。膠體(ti) 量子點材料通常采用化學合成方法製備，具體(ti) 操作是將金屬的有機或無機物溶液溶膠固化形成量子點，分散於(yu) 溶劑中。

與(yu) 諸多改變人類發展進程的重大發現一樣，量子點也是被偶然發現的。阿列克謝 I.葉基莫夫於(yu) 1980年在研究彩色玻璃時發現了納米顆粒的尺寸依賴性質，標誌著量子點的發現；1983年，路易斯 E.布魯斯在研究硫化鎘膠體(ti) 溶液後提出了量子點光學性質的量子尺寸效應；蒙吉 G.巴文迪於(yu) 1993年提出了具有劃時代意義(yi) 的“熱注射法”，製備出了均勻、尺寸可調的高質量量子點，極大地推動了該研究領域的發展。三位科學家的突破性工作為(wei) 量子點技術的發展鋪平了道路，將其從(cong) 實驗室推向實際應用。“這些納米級的粒子，因其獨特的量子性質，為(wei) 現代科技帶來了廣闊的發展前景。”解榮軍(jun) 說。

據楊曉光介紹，在半導體(ti) 領域，1986年，日本東(dong) 京大學的荒川教授(Arakawa)提出並預測了半導體(ti) 材料結構從(cong) 二維量子阱演變到零維量子點後材料性能的變化。此後，將量子點材料應用於(yu) 光電器件，特別是激光器成為(wei) 重要的技術發展趨勢。一個(ge) 典型例子是量子點激光器可以在200℃的高溫下正常工作，遠超傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器的工作溫度上限。

率先在高清顯示行業(ye) 應用落地

據解榮軍(jun) 介紹，量子點材料最具商業(ye) 價(jia) 值的應用是在高清顯示領域，包括電視、電腦、平板電腦、手機等，具有萬(wan) 億(yi) 級市場規模。在精確控製下不同尺寸的量子點，在受到外來能量激發後，可發出對應波長的光，這是量子點材料用於(yu) 顯示應用的第一個(ge) 關(guan) 鍵優(you) 勢。量子點材料的第二個(ge) 關(guan) 鍵優(you) 勢是它們(men) 的發光光譜非常窄，使得其發光顏色異常純淨，使顯示屏幕可以呈現更鮮豔、更真實的顏色。溶液可加工性是量子點材料的第三個(ge) 關(guan) 鍵優(you) 勢，這意味著材料加工成本低且與(yu) 多種化學溶劑有兼容性。

量子點材料問世之初，就有學者根據量子點獨特的光電特性預測，其主要應用領域將首先集中在電子與(yu) 光學方麵。事實上，率先推動了量子點技術落地的領域，正是顯示產(chan) 業(ye) 。2013年，日本索尼公司率先發布了量子點背光源的液晶電視，使液晶顯示(LCD)再次具備與(yu) 有機發光二極管(OLED)一競高下的實力。國內(nei) 企業(ye) TCL在2016年推出搭載量子點背光的液晶電視，此後，量子點材料廣泛應用於(yu) 國內(nei) 外中高端液晶電視、顯示器、筆記本、平板電腦中。“量子點材料使得顯示屏可以更柔性、像素更密、色域更寬。”楊曉光說。

“目前，商用的量子點背光源技術(QD-LCD)仍屬於(yu) 量子點顯示應用的初級階段。”解榮軍(jun) 說，其主要原因在於(yu) 高質量的量子點材料通常需要複雜的工藝和原材料製造，高昂的製造成本限製了大規模商業(ye) 化應用的發展；一些量子點材料可能含有鎘等有害元素，對環境和人類健康造成潛在威脅；直流電通過量子點薄膜會(hui) 發生量子點充電，隨著量子點帶電，電流通過器件並維持量子點電致發光變得越來越困難等。

在多個(ge) 領域展現出重要優(you) 勢

量子點顯示隻是一道“開胃菜”。量子點材料並未止步於(yu) 顯示，生物成像、傳(chuan) 感器、太陽能電池等都將成為(wei) 它的應用落地場景。

“今天，量子點材料已成為(wei) 納米技術中不可或缺的部分，在生物化學、醫學等領域，量子點材料都具有廣泛的應用。”解榮軍(jun) 表示，量子點材料抗退化，亮度是有機染料的10—20倍，該特性可以使量子點熒光探針對細胞生命過程進行更長時間的跟蹤；量子點材料具有化學惰性且具有較大的比表麵積，保證了較高的載藥能力，因此可以在生物係統中標記納米載體(ti) ，適用於(yu) 治療性藥物輸送；量子點材料還具有表麵修飾的可行性，可以通過相互作用與(yu) 肽、碳水化合物、DNA片段、病毒和天然產(chan) 物進行生物偶聯。這些應用不僅(jin) 顯示了量子點材料在生物醫學研究中的潛力，也為(wei) 我們(men) 提供了探索生命過程和疾病治療的新途徑。

楊曉光表示，目前我國在量子點材料研究及其產(chan) 業(ye) 應用方麵，均處於(yu) 國際先進水平。量子點材料很有希望成為(wei) 我國在光電、信息、顯示等領域的“強手棋”。

楊曉光說，目前我國數據中心加速建設，能耗成為(wei) 關(guan) 鍵卡點。高密度的光電器件在工作中產(chan) 生大量的熱，光電器件性能對溫度又非常敏感，因此數據中心需要大量的能量進行光電器件的降溫。據統計，溫控能耗占了中心總能耗的四成左右。如果采用可高溫工作的量子點激光器，數據中心的能耗將大幅降低。“高溫場景隻是量子點激光器的應用環境之一，其在高密度片上光電集成、高精度測量、光量子生成等領域中已展現出重要優(you) 勢。”楊曉光說。

“諾貝爾獎的頒布帶動了量子點材料的關(guan) 注度，有望進一步推動其產(chan) 業(ye) 化發展，使其在更多領域發揮價(jia) 值。”解榮軍(jun) 表示，正如諾貝爾獎頒獎介紹材料中所說：我們(men) 才剛剛開始探索量子點的潛力。