显示蓝光大尺寸ZnSe量子点
撰稿：龙志伟（博士生）
指导：钟海政（北京理工大学 教授）
量子点，也称半导体纳米晶，是一类尺寸在2-100纳米的半导体纳米晶体。自1983年美国贝尔实验室发现以来，量子点丰富的光学性质和应用前景，吸引了学术界和工业界的广泛关注，一直是纳米光子学领域的重点研究课题，经过不懈努力，已在多个领域进入应用阶段。
例如，作为高稳定、高效率的荧光标记材料，量子点被广泛应用于生物检测和医学成像领域；作为一种色彩最优的发光材料，量子点在液晶显示、AR/VR微显示、印刷显示等显示应用领域备受关注；作为可调制的光吸收材料，量子点在微型超光谱和红外探测拓展方面，也进入了产业化前沿阶段。
基于量子点电致发光的印刷显示一直是学术界和产业界争相布局的关键技术。
例如：2007年中国科学院化学所李永舫院士课题组在Nature Photonics上报道了高亮度的三基色QLED器件（Nature photonics 1.12 (2007): 717-722. ），2014年浙江大学的彭笑刚教授、金一政教授合作在Nature上报道效率超过20%的高稳定红光QLED器件（Nature 515.7525 (2014): 96-99.）；2019年河南大学杜祖亮教授团队与中科大张振宇教授等人合作在Nature Photonics报道了超高亮度的QLED器件（Nature Photonics 13.3 (2019): 192-197.)；2020年三星公司在Nature上报道了基于ZnTeSe/ZnSe/ZnS结构的高效率蓝光QLED器件（Nature 586, 385–389 (2020). )。与此同时，产业界也取得了重要进展，BOE（京东方）2020年和2022年分别发布了基于量子点印刷显示的55英寸4K和8K AMQLED电视样机。
随着技术和产业化的发展，蓝光QLED量子点材料的短板日益突出，成为产业发展的“卡脖子”研究课题。
鉴于此，北京理工大学、北京有色金属研究总院合作，通过合成方法学和生长机理的研究，突破了传统量子点合成的尺寸限制，报道了显示波段蓝光大尺寸ZnSe量子点材料。
图1：反应活性控制的外延生长突破传统合成方法的尺寸限制
根据量子限域效应的尺寸相关性，增大尺寸可以弱化量子限域效应，使其发射光谱红移至显示蓝光波段。而基于目前的液相法合成工艺，难以合成大尺寸的纳米晶，因此文献中所报道的ZnSe量子点的发射光谱范围仅限于蓝紫光波段（小于450 nm）。虽然之前有报道通过合金化策略，可以合成出蓝光ZnTexSe1-x量子点，然而这种策略会引入缺陷态而导致光谱拖尾，不利于显示应用。
本研究从形核与生长同时出发，一方面，通过机理研究，理解了形核数的控制因素，以及生长的扩散控制区间；另一方面，在理论指导的基础上，通过反应活性调控实现了连续外延生长。
1、提出了基于LaMer理论的形核数模型，建立了前驱体反应活性与形核数之间的联系，完善了胶体纳米晶形核理论；
2、提出了一种反应活性控制的外延生长策略，制备出发光波长超过460 nm的大尺寸ZnSe量子点，进一步制备出高荧光效率的大尺寸ZnSe/ZnS核壳纳米晶，为无镉蓝光QLED的发展提供了新材料体系；
3、发展了制备大尺寸纳米晶的普适性策略，可制备超过50 nm的大尺寸CdSe和PbSe纳米晶。
这种介于量子尺寸和本体之间的大尺寸半导体纳米晶，为研究半导体材料的纳米效应提供了新的研究体系，有望开辟新的研究方向。
Long, Z., Liu, M., Wu, Xg. et al. A reactivity-controlled epitaxial growth strategy for synthesizing large nanocrystals. Nat. Synth (2023).
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