發光二極管（LED）是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件。LED由兩部分組成，一部分是空穴占主導地位的P型半導體，另一部分是電子占主導地位的N型半導體，二者界面之間形成P-N結。當電流通過導線作用于二極管時，電子向P區移動并在P-N結處跟空穴復合，并以光子的形式發出能量。LED已經成為一項廣為人知的高科技技術，能夠提供最有效的照明選擇，各種顏色的LED被廣泛用于各應用領域的照明。

隨著科學技術的發展，一項潛在的技術，量子點LED（QD-LED），正在撼動著LED照明和顯示行業。QD-LED是把有機材料或者LED芯片和高效發光無機納米晶體結合在一起而產生的具有新型結構的量子點有機發光器件。相對于傳統的有機熒光粉，量子點具有發光波長可調（可覆蓋可見和近紅外波段）、熒光量子效率高（可大于90%）、顆粒尺寸小、色彩飽和度高、可低價溶液加工、穩定性高等優點，其色域已經可以超過標準色三角。因此基于量子點的發光二極管，有望應用于下一代平板顯示和照明。

QD-LED已經是顯示技術領域的領先者，三星、TCL、LG、京東方等各大顯示屏公司提供基于QD-LED的商業電視顯示屏。在顯示器方面，microLED、有機LED（OLED）和QD-LED之間的競爭非常激烈。QD-LED在照明領域，目前只有一家公司提供基于照明的商用QD-LED。但該技術的最新發展表明，QD-LED可能會在照明行業取得長足進步。

量子點優勢

大多數商業 LED 使用藍色 LED 背光和熒光粉涂層進行工作。藍色LED上的熒光粉涂層在深藍色或紫外線輻射激發時發出可見光，實現能量下轉換（藍光轉換為能量較低的紅光或綠光）。通過調整給定熒光粉的比例和特性，可以調整輸出光的波段位置。但能量下轉換過程效率較低，從藍色轉換為紅色時，熒光粉會浪費一部分能量。

在LED 驅動 QD 中的發射過程中，釋放不同光子的量子點同樣位于LED芯片的頂部。然而，與傳統的基于熒光粉的LED相比，量子點具有最重要的優勢——提供寬光譜的可調性。通過改變粒徑，可以使用量子點技術輕松改變顏色或峰值波長，這是量子點獨特的優點。

在制造方面，改變量子點尺寸的手法很簡單，只需要增加量子點的額外生長時間。對于硒化鎘（CdSe）這類制造量子點的常見材料，2nm的CdSe量子點將以紅色發射，但在稍長的生長時間后，5nm的CdSe 量子點將以綠色發射。與熒光粉相比，這是一個很大的優勢，因為熒光粉的發射和穩定性完全取決于材料類型，光譜的靈活性十分有限。

此外，量子點在效率方面也具有優勢，特別是在紅光區域。通常，當使用基于熒光粉的LED發射紅光時，由于無法控制熒光粉輸出發射光譜的帶寬，不可避免地會發射一部分紅外光，造成能量浪費。對于QD-LED，較窄的發射光譜意味著可以獲得單色性好、純凈度高的紅光，從而在基于照明的應用中提供更高的效率。

QD-LED還為具有高顯色指數（CRI）值的LED提供了一條捷徑。這意味著與日光相比，QD-LED照明所照亮的顏色測量值表現良好（CRI = 100）。最近，劍橋大學團隊研究了基于QD-LED的智能照明，它可以由用戶控制，并允許照明根據情緒和環境進行調節。他們創建了一個將QD-LED與系統級顏色控制和顏色優化算法相結合的設備。通過使用多層不同大小的量子點，范圍從3到30納米，他們能夠改變顏色并準確地模仿白光。一般來說，在產生白光時，使用紅色，綠色和藍色的混合物，但劍橋團隊發現，通過使用更大范圍的顏色，白光可以更準確地表示。

市場的競爭

QD為下一代照明應用提供高顯色性和非常節能的LED組件，但是商用QD-LED的開發面臨著重大挑戰。

QLED 器件的制作成本大致可分為原材料的成本和處理這些材料的制造成本。由于目前QLED 都采用類似的工具箱薄膜處理技術，例如噴墨和微接觸印刷，熱蒸發定量和濺射等，雖然QLED 在結構和制作技術上比OLED 減少了很多成本，但是高要求的制備環境使其與商業化仍有一段距離。

量子點直接位于LED和硅的頂部，在這種條件下很容易發生降解。在芯片上，量子點暴露在高溫下（有時>100°C），暴露在潮濕和潮濕的大氣中，并且需要高通量的光進入量子點。這些通過其表面的過程直接地導致QD的退化。量子點是在表面或附近有許多原子的納米粒子，光氧化很容易導致量子點變暗。

在應用的過程中，量子點的團聚也是影響量子點發光的重要原因。由于量子點發光的原理是量子限域效應，僅在量子點體積較小的時候，才能夠保持穩定的發光特性。當量子點團聚的時候，會改變量子點的尺寸，從而使量子點猝滅失效。

目前QD-LED 器件在最低視頻亮度（100 cd/m2）上的壽命僅為100-1000 個小時，遠遠小于顯示器需要的壽命（大于10000 小時）。造成器件壽命短的因素可能有很多，作為QLED 電荷傳輸層的有機物的某些固有不穩定性質可能是其器件壽命短的一個原因。

量子點是一種替代方法，通過QD尺寸直接控制顏色，可以提高器件的整體性能，為該行業提供了另一種追求這種定制照明的途徑。但是，對電光轉換效率的限制仍然是實現這一目標的障礙。QD-LED技術正處于革命的邊緣，在不久的將來，一定會出現發光發熱的爆發點。

參考文獻：Samarakoon, C., Choi, H.W., Lee, S. et al. Optoelectronic system and device integration for quantum-dot light-emitting diode white lighting with computational design framework. Nat Commun 13, 4189 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31853-9

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