新型量子點LED：發光效率創紀錄！

近日，土耳其科克大學（Ko? University）的研究人員展示了一種基於納米材料的白色發光二極體（LED），它創造了發光效率的記錄：105 流明/瓦。經過進一步開發，新型LED可達到 200 流明/瓦的效率，從而成為一種可用於家庭、辦公室和電視台的頗具前景的節能光源。

背景

LED（Light Emitting Diode），發光二極體，是一種固態的半導體器件，它可以直接將電轉化為光。

芬蘭國家技術研究中心研發的柔性LED

（圖片來源：Antti Veijola/芬蘭國家技術研究中心）

LED的基本原理是：當電子與空穴複合時能輻射出可見光。LED的核心器件是半導體晶片，晶片由兩部分構成：一部分是P型半導體，一部分是N型半導體。兩種半導體連接起來，就形成了「P-N結」。當電流作用於晶片時，電子流向P區並與空穴結合，然後以光子形式發出能量。

然而，發光的顏色，也就是光的波長，是由形成P-N結的材料決定的。一般來說，砷化鎵二極體發紅光，磷化鎵二極體發綠光，碳化硅二極體發黃光，氮化鎵二極體發藍光。

創新

近日，土耳其科克大學（Ko? University）的研究人員展示了一種基於納米材料的白色發光二極體（LED），它創造了發光效率的記錄：105 流明/瓦。發光效率是光通量與功率的比值，即衡量了光源利用電力產生光線的效率。通過進一步開發，新型LED可以達到 200 流明/瓦的效率，從而成為一種可用於家庭、辦公室和電視台的頗具前景的節能光源。

量子點白色LED

(圖片來源：Sedat Nizamoglu, 科克大學)

在美國光學學會高影響力研究期刊《Optica》上，研究人員描述了他們是如何創造出這種高效的白色LED的。這種新型LED採用了市場可以買得到的藍色LED，結合充滿納米尺寸半導體顆粒（量子點）溶液的柔性透鏡。藍色LED發出的光線引起量子點發出綠光和紅光，並結合藍光，創造出白光。

柔性透鏡

（圖片來源：Sedat Nizamoglu, 科克大學）

技術

（圖片來源：參考資料【2】）

為了利用現有的LED製造出白光，研究人員為藍色LED塗上了基於微黃色磷光體的塗料，從而將藍光和黃光結合到一起。因為磷光體具有較寬的發射範圍，從藍色到紅色，所以它難以靈敏地調諧生成的白光特性。

與磷光體不同，量子點生成的顏色純凈，因為它只發出較窄的頻譜。這種較窄的發射，通過將產生不同顏色光線的量子點與藍色LED相結合，創造出了具有精確的色溫和光學特性的高質量白光。量子點也具有便於製造的優勢，並且它們的發光顏色可通過增加半導體顆粒的尺寸來改變。進一步說，改變摻入量子點的濃度，可方便地生成像白熾燈一樣的暖白光源，或者像熒光燈一樣的冷白光源。

儘管目前嵌入到薄膜中的量子點應用於LED電視，然而這種照明方案卻不適合廣泛地應用於普通照明。研究人員通過在液體中轉移量子點，戰勝了當納米材料嵌入到固體聚合物中時發生的問題性的效率下降。

製造高效的白色LED，要求量子點將藍光高效地轉化為紅光或者綠光。研究人員展開了300多項合成反應，去分辨最佳條件，例如溫度和反應時間，從而製造出可以發出不同顏色光線的量子點，同時表現出最佳的效率。

該校的領導研究員 Sedat Nizamoglu 表示：「製造白光需要集成適量的量子點，而且即使做到了這一點，還需要無數的藍光、綠光和紅光的組合生成白光。我們開發了一種基於我們最近報告的理論方案的模擬，並採用它判斷適當的量，以及最佳的量子點顏色組合，從而高效地生成白光。」

為了製造新型LED，研究人員用高溫條件下鎘、硒、鋅、硫混合合成的量子點溶液，填充了聚合物透鏡與LED晶元之間的空間。研究人員採用一種硅樹脂製造透鏡，因為彈性使之可以將溶液注入到透鏡中，而不會產生任何泄露，而且材料的透明度保證了必要的光線可以通過。

研究人員演示，他們基於液體的白色LED可達到固體薄膜量子點LED的效率的兩倍。他們也通過採用白色LED照亮7英寸的顯示器，進行了演示。

Nizamoglu 表示：「量子點對於高效的照明應用來說極具前景。對於生成更加高效的照明方案來說，技術研發仍然有很大的空間。」

價值

Nizamoglu 表示：「在節約能源和保護環境方面，高效的LED極具潛力。用發光效率達200流明/瓦的LED取代傳統光源，可以將全球照明電力消耗減少一大半。這種減少相當於230個典型的500兆瓦煤炭發電廠的發電量，並將減少溫室氣體排防達2億噸。」

他還說：「我們的新型LED，比其他基於量子點的白色LED，達到了更高的效率水平。這種量子點和新型LED的合成與製造方案，對於製造量子點和新型LED來說，是簡單、便宜、可量產的。」

未來

下一步，研究人員正在致力於提升LED的效率，並想要採用環境友好的無鎘無鉛的材料達到很高的效率水平。他們也在計劃研究不同條件下的液體LED，保證它們對於長期應用來說是穩定的。

關鍵字

量子點、LED、半導體

參考資料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/quantum_dot_white_leds_achieve_record_efficiency/

【2】Sadra Sadeghi, Baskaran Ganesh Kumar, Rustamzhon Melikov, Mohammad Mohammadi Aria, Houman Bahmani Jalali, Sedat Nizamoglu.Quantum dot white LEDs with high luminous efficiency. Optica, 2018; 5 (7): 793 DOI: 10.1364/OPTICA.5.000793

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