在视觉的明度和节能方面，很少有显示技术能与OLED（有机发光二极管技术）媲美。但目前OLED多被应用于手机类小型的显示设备上，OLED的生产技术正在克服前述问题，努力向制造如计算机显示器或者电视机等大型化的设备迈进。

量子点QLED显示技术主要包括量子点发光二极管显示技术（QLED）和量子点背光源技术（QD-BLU）。下面在介绍量子点QLED显示技术前，需要先了解量子点的概念。

一、量子点的基本概念

1.量子点的含义

量子点（Quantum Dot）这个听来有些科幻的名字是美国耶鲁大学物理学家马克•里德提出的，也往往被称为“纳米点”或者“零维材料”。量子点是一类特殊的纳米材料，往往是由碑化镣、硒化镉等半导体材料为核，外面包裹着另一种半导体材料而形成的微小颗粒。每个量子点颗粒的尺寸只有几纳米到数十纳米，包含了几十到数百万个原子。因为其体积的微小，让内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应特别显著，也让它能发出特定颜色的荧光。在受到外界光源的照射后，量子点中的电子吸收了光子的能量，从稳定的低能级跃迁到不稳定的高能级，而在恢复稳定时，将会将能量以特定波长光子的方式放出。这种激发荧光的方式与其他半导体分子相似；而不同的是，量子点的荧光颜色，与其大小紧密相关，只需要调节量子点的大小，就可以得到不同颜色的纯色光。

量子点是由有限数目的原子组成，其三个维度尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料（通常由ⅡB~ⅥA或ⅢA~ⅤA元素组成）制成的、稳定直径在2~20nm的纳米粒子。量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体，既可由一种半导体材料组成，如由ⅡB.ⅥA族元素（如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等）或ⅢA.ⅤA族元素（如InP、InAs等）组成，也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。作为一种新颖的半导体纳米材料，量子点具有许多独特的纳米性质。

量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种约束可以归结于静电势（由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生），两种不同半导体材料的界面（如在自组量子点中），半导体的表面（如半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。一个量子点具有少量的（1~100个）整数的电子、空穴或电子空穴对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。

量子点，也可称为纳米晶，是一种由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般为1~10nm，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。基于量子效应，量子点在太阳能电池、发光器件、光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。

小的量子点，例如胶状半导体纳米晶，可以小到2~10nm，这相当于10~50个原子的直径的尺寸，在一个量子点体积中可以包含100~100000个这样的原子，自组装量子点的典型尺寸在10~50nm，通过光刻成型的门电极或者刻蚀半导体异质结中的二维电子气形成的量子点横向尺寸，可以超过100nm。将10nm的300万个量子点首尾相接排列起来，可以达到人类拇指的宽度。

量子点按其几何形状，可分为箱形量子点、球形量子点、四面体量子点、柱形量子点、立方量子点、盘形量子点和外场（电场和磁场）诱导量子点；按其电子与空穴的量子封闭作用，量子点可分为1型量子点和2型量子点；按其材料组成，量子点又可分为元素半导体量子点、化合物半导体量子点和异质结量子点。此外，原子及分子团簇、超微粒子和多空硅等也都属于量子点范畴。

2.量子点的主要性质。

①量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以CdTe量子为例，当它的粒径从2.5nm增加到4.0nm时，它们的发射波长可以从510nm红移到660nm。

②量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。

③量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了荧光标记的应用。而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给实际的研究工作带来了很多不便。此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。

④量子点具有较大的斯托克斯位移。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是大的斯托克斯位移，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。

⑤生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。

⑥量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒（这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当），而量子点的荧光寿命可持续20~50ns，这使得当光激发后，大多数的自发荧光已经衰变，而量子点荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。

总之，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称、颜色可调、光化学稳定性高、荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光探针。

（3）量子点的物理效应。量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质，在非线性光学、磁介质、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景，同时将对生命科学和信息技术的持续发展，以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。

①量子尺寸效应。通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙（禁带）宽度、激子束缚能的大小，以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱出现蓝移现象，尺寸越小，则谱蓝移现象也越显著，这就是所谓的量子尺寸效应。

②表面效应。它是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。由于纳米颗粒大的比表面积，表面相原子数的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增多，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但会引起纳米粒子表面原子输运和结构型的变化，同时也会引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质，引起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对光反射系数显著下降，通常低于1%，因而纳米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。

③介电限域效应。由于量子点与电子的De Broglie波长、相干波长及激子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应。对于量子点，当粒径与Wannier激子Bohr半径相当或更小时，处于强限域区，易形成激子，产生激子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收系数增加，出现激子强吸收。由于量子限域效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝移。最新的报道表明，日本NEC已成功地制备了量子点阵，在基底上沉积纳米岛状量子点阵列。当用激光照射量子点使之激励时，量子点发出蓝光，表明量子点确实具有关闭电子的功能的量子限域效应。当量子点的粒径大于Waboer激子Bohr半径时，处于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是由干带间跃迁的一系列线谱组成。

④量子隧道效应。传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑量子隧道效应。100nm被认为微电子技术发展的极限，其原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性，量子效应将起主要功能。电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过程将有明显电子的波动性，出现量子隧道效应。电子的能级是分立的，利用电子的量子效应制造的量子器件，要实现量子效应，要求在几个微米到几十个微米的微小区域形成纳米导电域。电子被“锁”在纳米导电区域，电子在纳米空间中显现出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电。电子从一个量子阱穿越量子垫垒进入另一个量子阱就出现了量子隧道效应，这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。

⑤库仑阻塞效应。当一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小时，只要有一个电子进入量子点，系统增加的静电能就会远大于电子热运动能力，这个静电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点，这就是库仑阻塞效应。

二、量子点背光源技术（QD-BLU）

目前最成熟的QLED应用是用于改善液晶显示设备的显示效果，这种应用采用的是三原色的光致发光QLED材料。量子点具有发光特性，量子点薄膜（QDEF）中的量子点在蓝色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，从而能提升整个背光系统的发光效果。

量子点QLED显示技术与众不同的特性是，每当受到光或电的刺激时，量子点便会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，量子点能够将LED光源发出的蓝光完全转化为白光（传统YAG荧光体只能吸收一部分），这意味着在同样的亮度下，量子点QLED所需的蓝光更少，在电光转化中需要的电力亦更少，从而有效降低背光系统的功耗总成。

例如，在苹果iPhone6和TCL的QLED电视中，QLED起到的作用是改变液晶显示背光源的品质。目前，白光LED光源是超薄、节能液晶显示设备的主流光源，这种光源的LED灯主要由发蓝色光的LED芯片和对应的红色、绿色荧光粉构成。这种设计的问题在于，荧光粉的转化效率并不是特别高、色彩纯度也有限，前者导致液晶电视能耗水平一直高于OLED，后者导致液晶电视色彩表现比OLED差。

但是，在应用QLED技术后，液晶显示的背光系统可以是另一种状态。QLED技术的液晶背光源中，LED发光器件选择蓝色的（不是白色，也不是红绿蓝三种，之所以选择蓝色，是因为蓝色LED的效率最高、成本最低），蓝色的LED光通过导光板形成平行的面蓝色光源，然后照射到涂覆有QLED物质的另一个薄膜上，不同种类和数量的QLED量子点物质将蓝色LED的光，按比例转化成红绿蓝三原色，并合成液晶显示需要的“高品质白色”背光源。

液晶显示应用QLED技术之后，背光源的色彩转换效率大幅度提升，同时原色的纯度也大幅度提升。前者使得电视机和手机更为节能，后者则使得电视机和手机的色彩表现力显著提升。

当然，任何技术都不是完美的。QLED技术目前用于改善液晶显示设备的显示效果，也会产生副作用，这些副作用主要是：QLED材料的热稳定性不好，这就要求采用该技术的液晶显示设备更注重散热：QLED材料在空气中的稳定性不好，这就需要注重显示设备相关组件的密封；同时，QLED的材料寿命低于传统的荧光粉很多（目前和OLED材料寿命相当或者略长），QLED材料会成为采用该技术的液晶显示设备的寿命“瓶颈”，尤其是在个别QLED材料寿命只有1~3万小时的背景下，对比传统LED光源10万小时的寿命，差异巨大。

用QLED加强LCD背光后液晶显示的结构如图1所示。

图1 用QLED加强LCD背光后液晶显示的结构图

传统液晶显示技术的画面效果瓶颈主要由液晶反应速度、滤光膜效果和背光源系统提供的背光品质决定，而QLED可以显著改善背光源的品质；同时，在产品工艺上，QLED材料层可以和液晶背光源模组、背光模组中的导光板，甚至液晶和TFT工艺层混合，具有多种工艺和架构选择，可以让液晶显示厂商选择最为经济合理的技术方案。更为重要的是，这些技术路线中的任何一个，都不会较大地改变现有的产品生产工艺和流程体系。也就是说，引入QLED技术的液晶产品，制造成本的增长有限。同时，可以和液晶面板结合，也可以和背光源模组结合的特点，使得QLED可以在整机厂商或者面板厂商的产业链阶段同时渗透，采用该技术制造显示设备整机企业，不需要完全依赖面板厂商。

目前，液晶显示行业巳经把应用QLED作为改善液晶画质品质的关键突破点。但是，QLED创造的想象空间还远不止这些，如QLED还可以抛弃液晶成为独立的显示技术门类，这就是下面论述的量子点发光二极管显示技术。

据报道，2005年，毕业于麻省理工大学的科尔•苏利文创建QD Vision公司，随后QD Vision联手韩国LG Display和比利时化学品公司Solvay，研究并制造了QLED有源矩阵显示屏。与目前的显示屏相比，QLED在大大提高了亮度和画面鲜艳度的同时，还减少了能耗。

该产品能够进行商业化生产并能同有机发光显示屏（OLED）相竞争，如制造OLED时，需要使用一个'‘阴罩”，当屏幕尺寸变大时，“阴罩”板容易发生热胀冷缩，会使得色彩等不够精确。而QLED的制造过程不需要使用“阴罩”，因此不会出现精确度减少的问题。另外，量子点还可悬停在液体中，并使用多种技术让其沉积，包括将其喷墨打印在非常薄的、柔性或者透明的衬底上。

OLED还有一处不足，即其纯色需用彩色过滤器才能产生，而QLED从一开始就能产生各种不同纯色，也在将电子转化为光子方面优于OLED，因此能效更高，制造成本更低。在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍，发光率将提升30%~40%。

值得指出的是，2012年，浙江大学高新材料化学中心有合成化学背景的彭笑刚课题组和具有制备溶液工艺光电器件经验的金一政等科学家紧密合作，在首先解决了量子点合成化学方面的问题后，通过在器件中插入一层超薄绝缘层，很好地解决了载流子平衡注入这一困扰QLED领域多年的难题，从而设计出一种新型的量子点发光二极管（QLED）。并且，其制备方法基于低成本、有潜力应用于大规模生产的溶液工艺，其综合性能则超越了已知的所有溶液工艺的红光器件，尤其是将使用亮度条件下的寿命推进到10万小时的实用水平。这种新型的QLED使用的发光材料是可溶的无机半导体纳米晶（量子点），这种高效的无机发光中心同时可以兼容溶液工艺。金一政说：“采用溶液工艺制备光电器件具有高速度、低成本的优势，其制备过程有可能如同印刷报纸一样简单高效，还有可能采用轻薄、柔性的塑料基板。”

（1）量子点发光二极管的结构原理。和OLED类似，量子点屏的每种颜色的像素都和一个薄膜发光二级管对应，由二极管发光为量子点提供能量，激发量子点发出不同强度、不同颜色的光线，在人眼中组合成一幅图像。由于量子点发光波长范围极窄，颜色非常纯粹，所以量子点屏幕的画面比其他屏幕都要更清新明亮。

QLED是利用单反射镜结构的量子点结构制造的发光二极管，如图2所示。

这个器件的有源层是由InAs量子点层组成的，InAs量子点层被离开器件表面的镀金反射镜的InGaAs层包覆。为了限制注入的载流子，利用一个单量子点层有源区，而InGaAs层生长在GaAs衬底和有源区之间。为了提高输出信号光功率，单量子点层位于离开表面反射镜发光γ/2的位置。这样，由反射镜反射的光信号不断地与来自有源层下面的辐射发光作用，从而使衬底收集的光信号功率增大4倍。人们已成功地研制出工作波长为1310nm和1550nm时，输出光功率可以达到10mW的QLED。

图2 量子点发光二极管的结构原理

目前，已经研制出了外量子效率大于20%的带有谐振腔的QLED。对于那些没有谐振腔的QLED，可以通过在发光二极管表面引入一个薄的有源层来提高外量子效率。这样的器件称为表面织结薄膜发光二极管，在这种组织结构中，经过全内反射的光信号，再通过织构顶面散射，从而改变了光信号的传播角度，来自后反射镜反射的光信号可以耦合至发光二极管的输出。现在，已经研制出了没有谐振腔的QLED，其在1Gbps以上的传输速度的外量子效率可以达到29%。如果在光器件的顶部再配置光学透镜，可以使光器件的量子效率提高到40%。

过去十多年来，研究人员一直在研究量子点显示器。过去是把量子点喷在基底材料表面作涂层，类似于喷墨打印。这种技术要把量子点溶解在有机溶剂中，会污染显示器，降低色彩亮度和能效。为克服这一缺点，研究人员找到一种压印的方法，用有图案的硅片造出一种“墨水印章”，然后用“印章”来选取大小合适的量子点，不需要溶剂就可将它们压在薄膜基片上，平均每平方厘米约分布3万亿个量子点。用这种方法制成的显示器密度和量子一致性都更高，能产生更明亮的画面，能效也比以前更高。研究人员指出，新技术印制量子点显示器是在柔软薄膜上，在可卷曲便携式显示器、柔软发光设备、光电设备等领域该技术都会有广泛应用。

（2）量子点发光二极管（QLED）的优势。目前，三星公司已在研发可弯曲的OLED屏幕，但QLED屏幕将比它更薄、更容易卷起。QLED的狭义定义为尺度小于10nm的零维半导体晶体，它的大小只有人类头发的l/lOOOOOo科学家研究出把这种晶体印刷到柔韧有弹性的的塑料上，可便于携带，甚至印刷到更大的薄板上创造出巨型屏幕。由于QLED的体积非常小，因此制造商能自由决定放射波长，即人眼所见的光的颜色，可在生产过程中调整任何颜色，做出彩色屏幕。当前市面上多数电视是使用由LED作为背光源的LCD屏幕，厚度多为数毫米。应用QLED技术，则可达到史上最轻、最薄的境界，影像质量也较LCD和OLED屏幕来得好，并维持得更久。

相比于液晶显示设备（LCD），OLED的优势非常明显，其更薄更轻，显示效果也更好，尤其是在能耗方面（能耗仅为LCD的10%~20%）。但因为OLED使用的是有机材料，显示设备的寿命比LCD要短很多，并且技术成本也很高，当屏幕尺寸变大时，阴罩板容易发生热胀冷缩，会使得色彩等不够精确。这限制了OLED在大尺寸屏幕上的应用。

量子点发光二极管（QLED）与OLED相比，具有更大的优越性。

•QLED屏比OLED屏更亮、寿命更长，不使用阴罩，可应用于大屏幕。

•QLED屏比OLED屏生产成本低，因为QLED屏采用了稳定可靠的无机半导体材料，降低了生产成本；在将电子转化为光子方面也优于OLED，因此能效更高，制造成本更低。QLED屏生产成本还不到OLED屏的一半，更适用于大规模市场推广。

•QLED屏比OLED屏能耗小，因为量子点能够将LED光源发出的蓝光完全转化为白光，而不是像OLED那样只能吸收一部分，这意味着在同样的灯泡亮度下，量子点LED灯所需的蓝光更少，在电光转化中需要的电力自然更少，因而更加节能。在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍。

•QLED屏比OLED屏电光转换效率或发光效率高，发光率将提升30%~40%。并且，它不存在散热的问题，可用于大面积和家庭照明。同时OLED可以达到与无机半导体材料一样的稳定性、可靠性。

•QLED屏比OLED屏色纯度高，OLED的纯色需用彩色过滤器才能产生，而QLED从一开始就能产生各种不同纯色，其颜色纯度是现有产品的2倍，光线非常柔和，色彩更丰富。

•OLED在封装过程中要求条件很高，QLED则受条件限制较少。

不过，QLED的发展也面临着两个挑战：其一是寿命短，最好的QLED寿命仅为1万小时，这对大尺寸显示屏来说还不够；其二是需要确保色彩能始终如一地再现。目前，已经在这两方面取得了很大进步，QLED即将开始商业化生产。

（3）QLED电视与4K超高清液晶电视画质比较。下面我们再具体看一下量子点QLED显示技术所显示的画质情况。与其对比的是一台高端4K超高清液晶电视（基于WLED背光技术）对多个场景的对比效果。

QLED屏与4K超高清液晶电视屏对同一野外场景的显示比较，如图3所示。

图3 QLED屏与4K超高清液晶电视屏对同一野外场景的显示比较

QLED屏与4K超高清液晶电视屏对同一人像的显示比较，如图4所示。

图4 QLED屏与4K超高清液晶电视屏对同一人像的显示比较

由图3和图4可见，尽管实拍对比图已经"缩小”两种显示技术的画质差异，但量子点QLED显示技术已经在各个方面无悬念地压制传统4K超高清液晶电视，无论是画面的透亮程度、色彩纯度、暗部细节等，量子点QLED显示技术的确在画质表现上令人感到惊讶。事实证明，上述我们对量子点QLED显示技术的技术解析，并非言过其实。

虽然，QLED量子屏技术处于初期阶段，依旧有技术改善的空间，但该技术具有非常好的市场前景。目前，国内外已经取得很大的进展，QLED必将开始展现巨大的商业价值。