量子點：現(xiàn)狀、機遇和挑戰(zhàn)
化學系教授彭笑剛“以新型量子點為基礎，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)看到了第一個帶有顛覆性意義的量子點應用。那就是性能優(yōu)異的‘量子點LED’（QLED）。”
深重的自然資源危機
我認為，量子點是現(xiàn)代科學的重要前沿。
為什么這么說？2002年，《美國科學院院刊》有一篇文章，做了一個分析，地球是一個封閉體系，唯一進來的是太陽能。因此，整個地球完全依靠太陽能再生�？墒欠治鲆幌拢缴鲜兰o90年代的時候，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。仔細去看，如果每個人按照美國人的方式生活，到2002年的時候，我們就需要兩個地球。2009年，有一次我在英國講到這份報告，有位學者告訴我，2個地球是不夠的，按照美國當時的生活標準，人類應該需要是5個地球。想一想，這個說法也差不多。因為美國占全世界人口的5%，卻用掉全世界40%的資源。于是，中國人自己就需要兩個地球，整個人類需要5個地球。以此來看，美國人、歐洲人和其它發(fā)達國家的人喊能源危機是有道理的，但我們中國人乃至整個人類面臨的不只是能源危機，而是更加廣義的資源危機。如果中國人一味跟著美國人和其它資源占有率高的國家喊“能源危機”、而無視更深刻的資源危機，那么，我們就是把自己賣了幫別人在數(shù)錢。
人類面對的真正問題是資源危機，而不僅僅是能源危機。我們按照美國人的方式生活，不現(xiàn)實，前面是一片黑暗。對這個重大挑戰(zhàn)，全世界的化學家心里有一個答案，那就是高新材料化學。造一個地球是不可能的，化學家心里有一個不一樣的辦法，我們可以為人類尋找、設計、創(chuàng)造高新材料。這就是高新材料化學的核心思想，同時，這也導致了高新材料化學成為化學領域最近的重要發(fā)展趨勢。
湯森路透的高被引科學家名單，化學和材料學科中國名列前茅的占比很大。這不奇怪，這說明我國的科學家是有良知的。他們在真正地想問題，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擔。這是整個化學，甚至是整個科學界的一個重大趨勢：高新材料化學。
還有一個有意思的現(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21世紀前10年高影響力一百名化學家的排名。其中60%左右的學者與納米材料相關。為什么？因為納米并不是僅僅是一個尺度，而是納米材料代表了高新材料化學目前的主攻方向。
一類明星材料———量子點
量子點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，化學家主要在做溶解在溶液中的東西。生物學家也一樣，沒有溶液生物體就不能存活。因為有一些功能只能晶體才具備，所以，化學家對這些功能并不熟悉、也沒有花功夫來開放它們的潛在應用。但是，如果把晶體做小到納米尺度之后，它們就會像蛋白質那樣進入到溶液中。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。從化學的角度講，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，而且是很快就會有突破性工業(yè)應用的材料。那就是量子點。
與其他納米晶材料不同，量子點是以半導體晶體為基礎的。尺寸在1—100納米之間，每一個粒子都是單晶。量子點的名字，來源于半導體納米晶的量子限域效應，或者量子尺寸效應。當半導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體納米晶，在2納米時發(fā)出的是藍色光，到8納米的尺寸時發(fā)出的就是紅色光，中間的尺寸呈現(xiàn)綠色黃色橙色等等。這一種化學成分，發(fā)光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區(qū)，而且色純度高、連續(xù)可調。
發(fā)光材料對人類重要嗎？非常重要，這是因為，我們是在太陽下進化而來的物種。發(fā)光材料對人類的重要性，決定了量子點會成為明星材料。以“量子點”為關鍵詞在SCI論文數(shù)據(jù)庫中搜索，一年發(fā)表的文章達到一萬篇以上，這個量是很大的。當然，只做基礎研究不是高新材料化學這個學科的特色，要解決人類資源的問題，高新材料必須成為工業(yè)界的應用。基于此，2009年回國的時候，我與幾位有志于在中國探索高科技創(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，是以量子點材料為核心，設計、制造、產(chǎn)業(yè)化光電器件和生物與醫(yī)學檢測產(chǎn)品。
量子點可以應用在生物醫(yī)療領域。我們能用量子點把細胞的骨架完全顯示出來。與其它種類的檢測手段相比，量子點發(fā)光材料做檢測肯定是有優(yōu)勢的。我們可以很容易地利用量子點的不同顏色來同時檢測多種病菌或者農(nóng)藥殘留。而且，因為量子點吸收能力非常大，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。在這個意義上，納米科技早就進入了生活，只是人們常常不知道。為什么要用發(fā)光的量子點替代金納米晶的顯色？這是因為，金納米晶顯色法無法做定量，而用量子點做檢測就可以做到定量檢測。估計明年2月左右，納晶公司的生物醫(yī)學快速檢測產(chǎn)品就會在市面上見到了。
照明也是一個很大的產(chǎn)業(yè)，消耗的能量大致相當于電能的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，納晶科技在美國燈展上展示了一款量子點為基礎的LED燈，美國能源部的固態(tài)照明路線圖寫了一段話：量子點在人類照明領域將起到重要作用。那一款產(chǎn)品的能效和光質量都表現(xiàn)突出，但由于是基于傳統(tǒng)的氮化鎵LED，其價格偏高。從目前的情況看，量子點用于照明還需要一定的研發(fā)工作，才可能成為有競爭力的產(chǎn)品。
量子點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與量子點結合的背光源產(chǎn)品，納晶公司和美國兩家高科技公司都已經(jīng)進入商業(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，是其它顯示技術難以企及的。據(jù)我所知，國內一家大型電視機廠家將會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
量子點領域的發(fā)端，大約在70年代末。當時，西方國家的化學家受石油危機的影響，想尋找新一代能利用太陽能的光催化和光電轉換系統(tǒng)。借鑒半導體太陽能電池的原理，化學家們開始嘗試著在溶液中制備半導體小晶體，并研究它們的光電性質。有代表性的人物，包括美國的BARD和BRU、前蘇聯(lián)的Ekimov、德國的HENGLEIN等。
在實驗室里，他們發(fā)現(xiàn)了一個非常奇怪的現(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，美國科學家BRUS前蘇聯(lián)的E-FROS給出了一個漂亮的解釋，這就是“量子限域效應”理論。他們倆的文章發(fā)表時間有些差，但由于前蘇聯(lián)的隔離，彼此并不知道對方的工作。
目前為止，這個領域還是化學家在起主導作用，合成出性能達到要求的量子點還是該領域最關鍵的事情。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，但光學性能非常差，基本上不發(fā)光。
量子點研究在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-配位溶劑-高溫”路線，這個方法以具有高毒性、非常不穩(wěn)定的二甲基鎘作為鎘源，在高溫（300攝氏度左右）、有機配位溶劑中合成高質量硒化鎘。這一方法，最早是Brus和Stigwald在貝爾實驗室發(fā)明，并于1990年發(fā)表了第一篇文章。因為該文描述非常簡單，所以沒有形成影響。后來，Brus博士后Bawendi去MIT任教，帶領他的學生認認真真把它系統(tǒng)化，最后變成了一個可以重復的合成反應。這個成型的反應于1993年發(fā)表在《美國化學會會志》上，從此使得高質量硒化鎘量子點成為可能。90年代后期，我在加州大學伯克利分校時，改進了該方法，其中的一部分工作發(fā)表在《自然》上。但是，我認為自己的這些工作（包括發(fā)表在《自然》的文章）遠沒有前面兩篇工作重要。當前大家都很看重Nature、Sci-ence，但過度解讀發(fā)表雜志表現(xiàn)的是“外行看熱鬧，內行看門道”。
1990年和1993年的兩篇奠基性工作，對于整個領域具有里程碑式意義。但是，這同時也給領域留下來一個挑戰(zhàn)。他們用的原料，是從“金屬有機氣相沉積“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，導致在后來10年間，這個領域發(fā)展并不快，而且只能做一種材料。
后來我到了阿肯色大學，我們找到了一種“綠色”有機溶劑路線，這個方法的價值在于，讓量子點的簡便合成走進了在全世界的實驗室。只要有一個普通的化學合成實驗室就可以做，在中國也可以做。進一步地，我們系統(tǒng)探索了量子點生長機理，使得相對高質量的量子點的范圍也逐步擴大到其它種類半導體。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)界和學術界），這也就在一個方面造成了我們發(fā)表的工作得到了較高的引用率。
現(xiàn)在回過頭去看，MIT和貝爾實驗室的方法的基本想法并不對。實際上，我們后來證明“金屬有機-配位溶劑-高溫”路線的三個因素都不是真正要素。相反，我們最近在浙江大學的實驗結果表明，在相對溫和的條件下做量子點合成會做得更好。那么，是不是“金屬有機-配位溶劑-高溫”路線是彎路呢？
我認為，科學研究分兩類，分別是“前瞻性探索”和“系統(tǒng)性攻關”。上述貝爾實驗室1990年的工作，就是典型的前瞻性探索，我們實驗室在本世紀的工作則更接近系統(tǒng)性攻關，而MIT的工作則處于承上啟下的作用�？茖W研究面對的未知世界、不像考試一樣有標準答案。因此，我們既不能否定前瞻性探索、也不應該看不起系統(tǒng)性攻關。目前中國科學研究有過于看重前者的傾向，對科學熱點過于關注。
創(chuàng)業(yè)浪潮
既然是功能材料，只是好看是不行的。美國年輕學子和中國的年輕學者有一點頗不一樣。如果他們認為一項技術有用，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，他們去創(chuàng)業(yè)、給別人提供就業(yè)機會。中國高等教育在這個方面值得反思，如何教育學生不成為社會就業(yè)負擔，而是成為創(chuàng)業(yè)者？
第一家有影響的量子點公司創(chuàng)立時間是1999年，其主業(yè)是量子點用于生物醫(yī)學標記。但不幸的是，該公司最終結果是成為了烈士，掙扎幾年后，被大公司收購，其收購價格比創(chuàng)業(yè)成本低。在美國社會里，創(chuàng)業(yè)不成功毫無恥辱可言，用人單位還可能認為其經(jīng)驗可貴。如果中國要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，那么我認為應該允許創(chuàng)業(yè)公司成為烈士。當然，之所以稱為烈士，是因為它們的犧牲為后來者成功提供了經(jīng)驗。
目前，國際上號稱以量子點為主業(yè)的公司頗為不少。它們中的一些，我認為不會成為烈士。從現(xiàn)在的情況看，影響比較大的都有來自大學的雄厚知識產(chǎn)權支持。比如，美國的QDVISION公司的技術基礎來自麻省理工，美國的NANOSYS是以伯克利的技術為基礎，中國的納晶科技的前期技術從阿肯色大學獲得一部分、并通過并購美國NN-Labs公司完成。
顛覆性進展
前面提到，這個領域還是合成化學占決定性地位�；氐秸憬髮W后，我慢慢認識到量子點合成化學真正的核心問題是激發(fā)態(tài)控制。這是因為，作為發(fā)光材料，其性能的實現(xiàn)只能在激發(fā)態(tài)。而對于傳統(tǒng)的合成化學，化學家只關心基態(tài)�；谶@個新認識，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。
以這些新型量子點為基礎，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)看到了第一個帶有顛覆性意義的量子點應用。那就是性能優(yōu)異的量子點LED（QLED）。在申請了專利后，我們把相關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，在照明和顯示領域的節(jié)能效果已經(jīng)得到公認，這就是今年諾貝爾物理獎（氮化鎵藍光LED）的基礎。氮化鎵藍光LED已經(jīng)大面積量產(chǎn)，相關知識產(chǎn)權被日本、美國、歐洲公司牢牢控制了。但是，氮化鎵藍光LED的技術，是基于在藍寶石單晶襯底上外延生長多層半導體單晶，要求高真空設備、超高純度原料、制備過程能量消耗大。因此，其基礎成本大。
在氮化鎵藍光LED之外，美籍華人學者鄧青云教授在1979年報道了以有機分子為發(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。這導致了OLED顯示屏的良率低，做手機屏還問題不大，但大屏應用（如電視和計算機顯示屏）基本上不可能實現(xiàn)。
如果量子點合成達到了LED光電性能的要求，那么，量子點LED有望結合氮化鎵LED和OLED兩者的優(yōu)勢。我們近期的這個工作，證實了這個設想。Nature的審稿人給出了幾個指標，讓我們與OLED和其它溶液加工LED做一個橫向比較。結果表明，盡管我們的QLED是在相對簡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)化機會至少不會輸給OLED。應該指出的是，除了量子點要做好，很關鍵的一點，還要試圖去理解量子點在器件加工中要注意什么，這就是所謂的加工科學。
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。高能光子對人類健康的影響，已經(jīng)有一些醫(yī)學證據(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。我們最近工作的進展表明，有一天量子點LED將為照明產(chǎn)業(yè)做出貢獻。
量子點這個領域，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。當前，量子點的研究正在從游擊隊的零打碎敲，發(fā)展到集團化的正規(guī)軍作戰(zhàn)。中國的企業(yè)家、政府領導人、學者能否有足夠的智慧，支持在中國形成真正的正規(guī)軍？比如我們的QLED技術，目前處于國際領先地位、并確立了自己的知識產(chǎn)權。但是，來自MIT（QDVision）、SAMSUMG等的競爭是不容小視的。
（2014年10月27日）根據(jù)錄音整理，已經(jīng)本人審閱。
