量子點(diǎn)：現(xiàn)狀、機(jī)遇和挑戰(zhàn)
化學(xué)系教授彭笑剛“以新型量子點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過與浙大材料系金一政副教授小組和納晶科技公司合作，我們已經(jīng)看到了第一個(gè)帶有顛覆性意義的量子點(diǎn)應(yīng)用。那就是性能優(yōu)異的‘量子點(diǎn)LED’（QLED）�！�
深重的自然資源危機(jī)
我認(rèn)為，量子點(diǎn)是現(xiàn)代科學(xué)的重要前沿。
為什么這么說？2002年，《美國(guó)科學(xué)院院刊》有一篇文章，做了一個(gè)分析，地球是一個(gè)封閉體系，唯一進(jìn)來的是太陽能。因此，整個(gè)地球完全依靠太陽能再生�？墒欠治鲆幌�，到上世紀(jì)90年代的時(shí)候，人類大約用了地球再生能力的70%，到80年代就到了100%。到了90年代末，就到了120%，意味著已經(jīng)超過了地球的負(fù)荷能力。
這就是今天為什么出現(xiàn)那么多環(huán)境問題的原因，例如霧霾。仔細(xì)去看，如果每個(gè)人按照美國(guó)人的方式生活，到2002年的時(shí)候，我們就需要兩個(gè)地球。2009年，有一次我在英國(guó)講到這份報(bào)告，有位學(xué)者告訴我，2個(gè)地球是不夠的，按照美國(guó)當(dāng)時(shí)的生活標(biāo)準(zhǔn)，人類應(yīng)該需要是5個(gè)地球。想一想，這個(gè)說法也差不多。因?yàn)槊绹?guó)占全世界人口的5%，卻用掉全世界40%的資源。于是，中國(guó)人自己就需要兩個(gè)地球，整個(gè)人類需要5個(gè)地球。以此來看，美國(guó)人、歐洲人和其它發(fā)達(dá)國(guó)家的人喊能源危機(jī)是有道理的，但我們中國(guó)人乃至整個(gè)人類面臨的不只是能源危機(jī)，而是更加廣義的資源危機(jī)。如果中國(guó)人一味跟著美國(guó)人和其它資源占有率高的國(guó)家喊“能源危機(jī)”、而無視更深刻的資源危機(jī)，那么，我們就是把自己賣了幫別人在數(shù)錢。
人類面對(duì)的真正問題是資源危機(jī)，而不僅僅是能源危機(jī)。我們按照美國(guó)人的方式生活，不現(xiàn)實(shí)，前面是一片黑暗。對(duì)這個(gè)重大挑戰(zhàn)，全世界的化學(xué)家心里有一個(gè)答案，那就是高新材料化學(xué)。造一個(gè)地球是不可能的，化學(xué)家心里有一個(gè)不一樣的辦法，我們可以為人類尋找、設(shè)計(jì)、創(chuàng)造高新材料。這就是高新材料化學(xué)的核心思想，同時(shí)，這也導(dǎo)致了高新材料化學(xué)成為化學(xué)領(lǐng)域最近的重要發(fā)展趨勢(shì)。
湯森路透的高被引科學(xué)家名單，化學(xué)和材料學(xué)科中國(guó)名列前茅的占比很大。這不奇怪，這說明我國(guó)的科學(xué)家是有良知的。他們?cè)谡嬲叵雴栴}，想著為人類創(chuàng)造新的材料，把沒用的東西變成有用的東西，把有用的東西用到極致，用完了不給自然帶來負(fù)擔(dān)。這是整個(gè)化學(xué)，甚至是整個(gè)科學(xué)界的一個(gè)重大趨勢(shì)：高新材料化學(xué)。
還有一個(gè)有意思的現(xiàn)象，2011年，根據(jù)發(fā)表論文被引用的情況，湯森路透搞了一個(gè)21世紀(jì)前10年高影響力一百名化學(xué)家的排名。其中60%左右的學(xué)者與納米材料相關(guān)。為什么？因?yàn)榧{米并不是僅僅是一個(gè)尺度，而是納米材料代表了高新材料化學(xué)目前的主攻方向。
一類明星材料———量子點(diǎn)
量子點(diǎn)是一大類新材料中的一種———溶液納米晶。“新”的原因在于，正常情況下，化學(xué)家主要在做溶解在溶液中的東西。生物學(xué)家也一樣，沒有溶液生物體就不能存活。因?yàn)橛幸恍┕δ苤荒芫w才具備，所以，化學(xué)家對(duì)這些功能并不熟悉、也沒有花功夫來開放它們的潛在應(yīng)用。但是，如果把晶體做小到納米尺度之后，它們就會(huì)像蛋白質(zhì)那樣進(jìn)入到溶液中。于是，人類有了一類全新的材料，它們具有種晶體和溶液的雙重性質(zhì)。從化學(xué)的角度講，甚至是一類全新的分子。從材料的前途看，它代表著很多新的可能性。
在所有的溶液納米晶體中，有一類明星納米材料，而且是很快就會(huì)有突破性工業(yè)應(yīng)用的材料。那就是量子點(diǎn)。
與其他納米晶材料不同，量子點(diǎn)是以半導(dǎo)體晶體為基礎(chǔ)的。尺寸在1—100納米之間，每一個(gè)粒子都是單晶。量子點(diǎn)的名字，來源于半導(dǎo)體納米晶的量子限域效應(yīng)，或者量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體晶體做到小到納米尺度（1納米大約等于頭發(fā)絲寬度的萬分之一），不同的尺寸就可以發(fā)出不同顏色的光。比如硒化鎘這種半導(dǎo)體納米晶，在2納米時(shí)發(fā)出的是藍(lán)色光，到8納米的尺寸時(shí)發(fā)出的就是紅色光，中間的尺寸呈現(xiàn)綠色黃色橙色等等。這一種化學(xué)成分，發(fā)光顏色可以覆蓋從藍(lán)光到紅光的整個(gè)可見區(qū)，而且色純度高、連續(xù)可調(diào)。
發(fā)光材料對(duì)人類重要嗎？非常重要，這是因?yàn)椋覀兪窃谔栂逻M(jìn)化而來的物種。發(fā)光材料對(duì)人類的重要性，決定了量子點(diǎn)會(huì)成為明星材料。以“量子點(diǎn)”為關(guān)鍵詞在SCI論文數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索，一年發(fā)表的文章達(dá)到一萬篇以上，這個(gè)量是很大的。當(dāng)然，只做基礎(chǔ)研究不是高新材料化學(xué)這個(gè)學(xué)科的特色，要解決人類資源的問題，高新材料必須成為工業(yè)界的應(yīng)用。基于此，2009年回國(guó)的時(shí)候，我與幾位有志于在中國(guó)探索高科技創(chuàng)業(yè)的人士一起在杭州創(chuàng)辦了一家公司，叫納晶科技股份有限公司。納晶公司的目標(biāo)，是以量子點(diǎn)材料為核心，設(shè)計(jì)、制造、產(chǎn)業(yè)化光電器件和生物與醫(yī)學(xué)檢測(cè)產(chǎn)品。
量子點(diǎn)可以應(yīng)用在生物醫(yī)療領(lǐng)域。我們能用量子點(diǎn)把細(xì)胞的骨架完全顯示出來。與其它種類的檢測(cè)手段相比，量子點(diǎn)發(fā)光材料做檢測(cè)肯定是有優(yōu)勢(shì)的。我們可以很容易地利用量子點(diǎn)的不同顏色來同時(shí)檢測(cè)多種病菌或者農(nóng)藥殘留。而且，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)吸收能力非常大，能夠大大提高靈敏度。大家所熟知的早孕試紙，那里面就是利用金納米晶顯色。在這個(gè)意義上，納米科技早就進(jìn)入了生活，只是人們常常不知道。為什么要用發(fā)光的量子點(diǎn)替代金納米晶的顯色？這是因?yàn)�，金納米晶顯色法無法做定量，而用量子點(diǎn)做檢測(cè)就可以做到定量檢測(cè)。估計(jì)明年2月左右，納晶公司的生物醫(yī)學(xué)快速檢測(cè)產(chǎn)品就會(huì)在市面上見到了。
照明也是一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)，消耗的能量大致相當(dāng)于電能的20%。目前的人造光源的光效率是很低的。例如，照明質(zhì)量高的白熾燈，光效只有2%。如果能把效率提高到20%，就意味著能節(jié)省能源消耗的20%。2010年，納晶科技在美國(guó)燈展上展示了一款量子點(diǎn)為基礎(chǔ)的LED燈，美國(guó)能源部的固態(tài)照明路線圖寫了一段話：量子點(diǎn)在人類照明領(lǐng)域?qū)⑵鸬街匾饔�。那一款產(chǎn)品的能效和光質(zhì)量都表現(xiàn)突出，但由于是基于傳統(tǒng)的氮化鎵LED，其價(jià)格偏高。從目前的情況看，量子點(diǎn)用于照明還需要一定的研發(fā)工作，才可能成為有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。
量子點(diǎn)可能帶來重大變化的產(chǎn)業(yè)是顯示。目前的第一代，將是氮化鎵LED與量子點(diǎn)結(jié)合的背光源產(chǎn)品，納晶公司和美國(guó)兩家高科技公司都已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段。這種新型的背光源，讓顯示顏色的純度很高、色飽和到高，是其它顯示技術(shù)難以企及的。據(jù)我所知，國(guó)內(nèi)一家大型電視機(jī)廠家將會(huì)在今年年底或者明年年初推出這種新型的彩色電視。
從發(fā)端到熱潮
量子點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)端，大約在70年代末。當(dāng)時(shí)，西方國(guó)家的化學(xué)家受石油危機(jī)的影響，想尋找新一代能利用太陽能的光催化和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。借鑒半導(dǎo)體太陽能電池的原理，化學(xué)家們開始嘗試著在溶液中制備半導(dǎo)體小晶體，并研究它們的光電性質(zhì)。有代表性的人物，包括美國(guó)的BARD和BRU、前蘇聯(lián)的Ekimov、德國(guó)的HENGLEIN等。
在實(shí)驗(yàn)室里，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常奇怪的現(xiàn)象。比如，硫化鉛的大塊單晶總是大家熟悉的黑色，但是，化學(xué)家在溶液中做出來的納米晶體顏色各不一樣，有的黃、有的紅、有的黑，有的甚至沒有顏色。到底發(fā)生了什么奇怪的事情？
最后，美國(guó)科學(xué)家BRUS前蘇聯(lián)的E-FROS給出了一個(gè)漂亮的解釋，這就是“量子限域效應(yīng)”理論。他們倆的文章發(fā)表時(shí)間有些差，但由于前蘇聯(lián)的隔離，彼此并不知道對(duì)方的工作。
目前為止，這個(gè)領(lǐng)域還是化學(xué)家在起主導(dǎo)作用，合成出性能達(dá)到要求的量子點(diǎn)還是該領(lǐng)域最關(guān)鍵的事情。1990年以前，合成方法都是基于傳統(tǒng)的制備膠體小粒子的化學(xué)方法，例如共沉淀、微乳液、膠束等。這些方法能夠在一定程度上把尺寸控制在要求的范圍內(nèi)，但光學(xué)性能非常差，基本上不發(fā)光。
量子點(diǎn)研究在1990年到1993年之間發(fā)生了一件非常重要的事情，出現(xiàn)了一種新的合成方法，叫“金屬有機(jī)-配位溶劑-高溫”路線，這個(gè)方法以具有高毒性、非常不穩(wěn)定的二甲基鎘作為鎘源，在高溫（300攝氏度左右）、有機(jī)配位溶劑中合成高質(zhì)量硒化鎘。這一方法，最早是Brus和Stigwald在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，并于1990年發(fā)表了第一篇文章。因?yàn)樵撐拿枋龇浅：?jiǎn)單，所以沒有形成影響。后來，Brus博士后Bawendi去MIT任教，帶領(lǐng)他的學(xué)生認(rèn)認(rèn)真真把它系統(tǒng)化，最后變成了一個(gè)可以重復(fù)的合成反應(yīng)。這個(gè)成型的反應(yīng)于1993年發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)志》上，從此使得高質(zhì)量硒化鎘量子點(diǎn)成為可能。90年代后期，我在加州大學(xué)伯克利分校時(shí)，改進(jìn)了該方法，其中的一部分工作發(fā)表在《自然》上。但是，我認(rèn)為自己的這些工作（包括發(fā)表在《自然》的文章）遠(yuǎn)沒有前面兩篇工作重要。當(dāng)前大家都很看重Nature、Sci-ence，但過度解讀發(fā)表雜志表現(xiàn)的是“外行看熱鬧，內(nèi)行看門道”。
1990年和1993年的兩篇奠基性工作，對(duì)于整個(gè)領(lǐng)域具有里程碑式意義。但是，這同時(shí)也給領(lǐng)域留下來一個(gè)挑戰(zhàn)。他們用的原料，是從“金屬有機(jī)氣相沉積“借鑒而來，其中的二甲基鎘是爆炸性的，即使是室溫也不穩(wěn)定，其毒性很大，成本很高。這些因素，導(dǎo)致在后來10年間，這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展并不快，而且只能做一種材料。
后來我到了阿肯色大學(xué)，我們找到了一種“綠色”有機(jī)溶劑路線，這個(gè)方法的價(jià)值在于，讓量子點(diǎn)的簡(jiǎn)便合成走進(jìn)了在全世界的實(shí)驗(yàn)室。只要有一個(gè)普通的化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室就可以做，在中國(guó)也可以做。進(jìn)一步地，我們系統(tǒng)探索了量子點(diǎn)生長(zhǎng)機(jī)理，使得相對(duì)高質(zhì)量的量子點(diǎn)的范圍也逐步擴(kuò)大到其它種類半導(dǎo)體。由于這些原因，這條“綠色“路線很快在全世界推廣（包括工業(yè)界和學(xué)術(shù)界），這也就在一個(gè)方面造成了我們發(fā)表的工作得到了較高的引用率。
現(xiàn)在回過頭去看，MIT和貝爾實(shí)驗(yàn)室的方法的基本想法并不對(duì)。實(shí)際上，我們后來證明“金屬有機(jī)-配位溶劑-高溫”路線的三個(gè)因素都不是真正要素。相反，我們最近在浙江大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相對(duì)溫和的條件下做量子點(diǎn)合成會(huì)做得更好。那么，是不是“金屬有機(jī)-配位溶劑-高溫”路線是彎路呢？
我認(rèn)為，科學(xué)研究分兩類，分別是“前瞻性探索”和“系統(tǒng)性攻關(guān)”。上述貝爾實(shí)驗(yàn)室1990年的工作，就是典型的前瞻性探索，我們實(shí)驗(yàn)室在本世紀(jì)的工作則更接近系統(tǒng)性攻關(guān)，而MIT的工作則處于承上啟下的作用�？茖W(xué)研究面對(duì)的未知世界、不像考試一樣有標(biāo)準(zhǔn)答案。因此，我們既不能否定前瞻性探索、也不應(yīng)該看不起系統(tǒng)性攻關(guān)。目前中國(guó)科學(xué)研究有過于看重前者的傾向，對(duì)科學(xué)熱點(diǎn)過于關(guān)注。
創(chuàng)業(yè)浪潮
既然是功能材料，只是好看是不行的。美國(guó)年輕學(xué)子和中國(guó)的年輕學(xué)者有一點(diǎn)頗不一樣。如果他們認(rèn)為一項(xiàng)技術(shù)有用，博士畢業(yè)后（甚至不等到畢業(yè)）就去開公司創(chuàng)業(yè)。這就是名校畢業(yè)生，他們?nèi)?chuàng)業(yè)、給別人提供就業(yè)機(jī)會(huì)。中國(guó)高等教育在這個(gè)方面值得反思，如何教育學(xué)生不成為社會(huì)就業(yè)負(fù)擔(dān)，而是成為創(chuàng)業(yè)者？
第一家有影響的量子點(diǎn)公司創(chuàng)立時(shí)間是1999年，其主業(yè)是量子點(diǎn)用于生物醫(yī)學(xué)標(biāo)記。但不幸的是，該公司最終結(jié)果是成為了烈士，掙扎幾年后，被大公司收購(gòu)，其收購(gòu)價(jià)格比創(chuàng)業(yè)成本低。在美國(guó)社會(huì)里，創(chuàng)業(yè)不成功毫無恥辱可言，用人單位還可能認(rèn)為其經(jīng)驗(yàn)可貴。如果中國(guó)要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，那么我認(rèn)為應(yīng)該允許創(chuàng)業(yè)公司成為烈士。當(dāng)然，之所以稱為烈士，是因?yàn)樗鼈兊臓奚鼮楹髞碚叱晒μ峁┝私?jīng)驗(yàn)。
目前，國(guó)際上號(hào)稱以量子點(diǎn)為主業(yè)的公司頗為不少。它們中的一些，我認(rèn)為不會(huì)成為烈士。從現(xiàn)在的情況看，影響比較大的都有來自大學(xué)的雄厚知識(shí)產(chǎn)權(quán)支持。比如，美國(guó)的QDVISION公司的技術(shù)基礎(chǔ)來自麻省理工，美國(guó)的NANOSYS是以伯克利的技術(shù)為基礎(chǔ)，中國(guó)的納晶科技的前期技術(shù)從阿肯色大學(xué)獲得一部分、并通過并購(gòu)美國(guó)NN-Labs公司完成。
顛覆性進(jìn)展
前面提到，這個(gè)領(lǐng)域還是合成化學(xué)占決定性地位�；氐秸憬髮W(xué)后，我慢慢認(rèn)識(shí)到量子點(diǎn)合成化學(xué)真正的核心問題是激發(fā)態(tài)控制。這是因?yàn)�，作為發(fā)光材料，其性能的實(shí)現(xiàn)只能在激發(fā)態(tài)。而對(duì)于傳統(tǒng)的合成化學(xué)，化學(xué)家只關(guān)心基態(tài)。基于這個(gè)新認(rèn)識(shí)，我們采用了一些新的合成控制方法。由此，我們得到了一些性能前所未有的量子點(diǎn)。
以這些新型量子點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過與浙大材料系金一政副教授小組和納晶科技公司合作，我們已經(jīng)看到了第一個(gè)帶有顛覆性意義的量子點(diǎn)應(yīng)用。那就是性能優(yōu)異的量子點(diǎn)LED（QLED）。在申請(qǐng)了專利后，我們把相關(guān)的第一篇文章投給了Natue雜志。已經(jīng)在線發(fā)表。
發(fā)光二極管（LED）LED正在改變我們的生活，在照明和顯示領(lǐng)域的節(jié)能效果已經(jīng)得到公認(rèn)，這就是今年諾貝爾物理獎(jiǎng)（氮化鎵藍(lán)光LED）的基礎(chǔ)。氮化鎵藍(lán)光LED已經(jīng)大面積量產(chǎn)，相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)被日本、美國(guó)、歐洲公司牢牢控制了。但是，氮化鎵藍(lán)光LED的技術(shù)，是基于在藍(lán)寶石單晶襯底上外延生長(zhǎng)多層半導(dǎo)體單晶，要求高真空設(shè)備、超高純度原料、制備過程能量消耗大。因此，其基礎(chǔ)成本大。
在氮化鎵藍(lán)光LED之外，美籍華人學(xué)者鄧青云教授在1979年報(bào)道了以有機(jī)分子為發(fā)光中心的LED（OLED）。OLED與氮化鎵LED的最大不同，就在于它可以用常見化學(xué)方法（如溶液法）加工制備，因而成本可以很低。目前，三星公司用OLED已經(jīng)做出來了商業(yè)化的手機(jī)顯示屏，其優(yōu)異的色彩是氮化鎵LED顯示屏無法比擬的。但遺憾的是，OLED的有機(jī)發(fā)光分子熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性都存在幾乎難以突破的缺欠。這導(dǎo)致了OLED顯示屏的良率低，做手機(jī)屏還問題不大，但大屏應(yīng)用（如電視和計(jì)算機(jī)顯示屏）基本上不可能實(shí)現(xiàn)。
如果量子點(diǎn)合成達(dá)到了LED光電性能的要求，那么，量子點(diǎn)LED有望結(jié)合氮化鎵LED和OLED兩者的優(yōu)勢(shì)。我們近期的這個(gè)工作，證實(shí)了這個(gè)設(shè)想。Nature的審稿人給出了幾個(gè)指標(biāo)，讓我們與OLED和其它溶液加工LED做一個(gè)橫向比較。結(jié)果表明，盡管我們的QLED是在相對(duì)簡(jiǎn)陋的條件下用溶液法制備的，但我們的器件幾乎全面勝出。保守地說，我們的QLED商業(yè)化機(jī)會(huì)至少不會(huì)輸給OLED。應(yīng)該指出的是，除了量子點(diǎn)要做好，很關(guān)鍵的一點(diǎn)，還要試圖去理解量子點(diǎn)在器件加工中要注意什么，這就是所謂的加工科學(xué)。
LED也是照明產(chǎn)業(yè)的核心器件。但是和太陽光比較，現(xiàn)在的白光LED燈是有缺陷的，它是人造白光，有很多的高能光子。高能光子對(duì)人類健康的影響，已經(jīng)有一些醫(yī)學(xué)證據(jù)表明是不利的。另外，現(xiàn)行白光LED發(fā)熱比較明顯，這也不是好消息。QLED的白光，在原理可以完全做到與理想照明光源一致，更加接近于自然光，并且發(fā)熱大大減少。我們最近工作的進(jìn)展表明，有一天量子點(diǎn)LED將為照明產(chǎn)業(yè)做出貢獻(xiàn)。
量子點(diǎn)這個(gè)領(lǐng)域，目前已經(jīng)發(fā)展到了需要高深、更系統(tǒng)、更集成（或者更交叉）的水平。當(dāng)前，量子點(diǎn)的研究正在從游擊隊(duì)的零打碎敲，發(fā)展到集團(tuán)化的正規(guī)軍作戰(zhàn)。中國(guó)的企業(yè)家、政府領(lǐng)導(dǎo)人、學(xué)者能否有足夠的智慧，支持在中國(guó)形成真正的正規(guī)軍？比如我們的QLED技術(shù)，目前處于國(guó)際領(lǐng)先地位、并確立了自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。但是，來自MIT（QDVision）、SAMSUMG等的競(jìng)爭(zhēng)是不容小視的。
（2014年10月27日）根據(jù)錄音整理，已經(jīng)本人審閱。
