這8種固態發光新材料技術可能改變未來照明世界?

近期,有產業專家曾經指出,固態發光新材料新技術不容忽視,固態發光新材料、新技術中,尤其是提及若干年內將產業化的多項納米級材料,將改變未來照明世界,這將對現有半導體照明帶來極大挑戰,並將改變未來照明世界,這對現有半導體照明帶來極大挑戰。然而,能否進入照明領域,唯一標準還是要以產品綜合性比來評定,即節能指標、光色品質、可靠性和價格之比。

(Photo Credit:LEDinside)


事實上,這些固態發展新材料,特別是石墨烯、磷烯、二維半導體材料MX2、鈣鈦礦等,除了具有發光性能之外,還可製備高性能電子元件、傳感器、探測器、儲存裝置、光電子元件等,一旦應用技術成熟並產業化,那將是顛覆性的技術創新,也將對科技產業產生深刻影響。下面我們就來逐一簡述:

石墨烯

石墨烯作為一種新興材料,已經成為資本追逐的熱點。數據顯示,中國已有相關石墨烯產業的廠商近千家,而許多地方政府也是熱衷石墨烯產業的發展,大興土木,廣納政策興建石墨烯園區。一些廠商更是頻頻向大學院校和科研機構伸出橄欖枝合作開展石墨烯項目的研究與開發。美國著名廠商家馬斯克曾預測,內置石墨烯聚合材料電池的電動汽車未來的續航里程可以達到800公里,達到了傳統汽車的續航水平。這一預測為石墨烯產業的發展提供了巨大的想像空間。

根據《「十二五」期間中國石墨烯產業深度市場調研與投資戰略規劃分析報告》顯示,中國已申請了2200多項石墨烯專利技術,佔世界石墨烯專利總數量的1/3。根據國家產權局、Wind數據庫資料,2015年中國專利申請數量達7925個,居全球第一。事實上,在「十二五」期間,中國各地政府早已經瞄準了石墨烯這一新材料,並相繼成立了一系列石墨烯產業化基地,包括寧波石墨烯產業園、常州江南石墨烯研究院、無錫石墨烯產業化示範區、青島國際石墨烯創新中心和重慶石墨烯產業園、四川省石墨烯產業園等。此外,北京、安徽、黑龍江、湖南等多個省份也已開始著手籌劃石墨烯產業發展規劃。

初步統計,目前已有包括美國、歐盟、日本等發達國家在內的80多個國家和地區投入石墨烯材料及其應用的研發,且美、英、韓、日、歐盟等均將石墨烯研究提升至戰略高度,期待它帶來巨大的市場價值。據不完全統計,目前全球有近300家公司涉足石墨烯相關的研究和開發,其中包括IBM、英特爾、美國晟碟、陶氏化學、通用、杜邦、施樂、三星、洛克希德·馬丁、波音等科技巨頭。然而,中國儘管是石墨烯產業的專利大國,但其產品的轉化率並不高。重要的還是科技創新,充分利用「廠商+科研院校+市場」的模式。

有機發光二極管(OLED)

近年來,OLED照明技術得到了越多的關注和應用,甚至一度成為了學術界和產業界最據研究性的熱點話題,其如今已經摘去神秘的面紗,逐步走進人們的日常生活。

OLED照明,根據市場方面提供的最新一組調查數據結果顯示,今年OLED車載照明面板的市場規模已達到7200萬元,與去年同期相比增長了近五個百分點,對此,專家預測,到2017年,市場預期將突破1億元。

作為高階照明光源,OLED照明以平面發光的特點實現了極近自然光、超薄、可撓曲、任意形狀光源的優點,是時下高品質環保光源的代名詞。作為照明產業最炙手可熱的技術之一,OLED照明自問世之日起便受到了業內外人士的強烈追捧。

OLED具有很好的光色性能,將很快進入照明領域。首爾研究機構預測到2020年OLED照明產值達47億美元,台灣工研院光電所預測2020年LED與OLED照明產值之比為3:1,另有專家預測為四分之一。

雷射照明

雷射照明有兩種不同的技術路線,即發白光的雷射器和未來雷射照明。美國亞利桑那大學研究一種納米厚度由鋅、鎘、硫、硒構成ZnCdSSe,確保晶體並存,納米薄片分成三部分,在光脈衝激發下可發R、G、B三基色的雷射,混合成白光,可用於照明,也可用於光通信,光響應速率比普通LED快10~100倍。

諾獎獲得者中村修二多次表示,雷射照明是未來照明的觀點。2016年6月25日,中村修二出席「2016中國·成都全球創新創業交易會」時接受媒體採訪就曾經大膽預測:未來十年,雷射照明將會取代LED照明。

中村修二認為,就他所研究的領域來看,10年後,雷射照明很可能會代替現在的LED照明。據中村修二介紹,一個雷射燈能夠照亮100平方米的面積,因此雷射照明的效率遠比LED照明要高。但由於雷射照明目前價格太高,導致應用率不高,相信未來將會是一個大趨勢。

據瞭解,雷射照明的效率是LED的上千倍,不僅能增加投射距離、提高安全性,同時體積更小、結構更緊湊,並能應用到多個廣泛層面當中去。由於該技術是採用半極性GaN雷射管結合先進的螢光粉技術,其優點是電流密度大,所需芯片面積更小、更節能、壽命長、方向性好等,但目前價位較高。另外,他還認為,多種不同技術路線的白光照明將長期共存。

鈣鈦礦發光技術

採用納米結構的鈣鈦礦,用於發光照明及光顯示,還可用於高性能電子元件,目前有三種技術路線。金屬鹵化物鈣鈦礦發光由英國劍橋大學卡文迪實驗室研究,這種材料含鉛、碳基離子和鹵素離子,易溶於普通溶劑,乾燥後形成鈣鈦礦晶體,製備設備價格低、簡單、成本低,並提出鈣鈦礦LED五年內產業化。

有機鹵化物鈣鈦礦發光是無機有機混合物,生產快速簡單、成本低,在12V下,發光亮度達10000坎德拉/平方米,但性能不夠穩定全無機鈣鈦礦量子點LED來自南京理工大學曾海波教授研究團隊。該QLED發可見光400~800nm,量子效率大於70%,綠光光效達90%以上,能實現RGB三基色等多色電致發光。可用於發光、各種顯示和雷射顯示。

中國南京工業大學黃維院士和王建浦教授團領導的研究團隊經過科技創新成功研製出了一種高效鈣鈦礦LED。其研製的高效鈣鈦礦LED含有有機—無機雜化鈣鈦礦材料,兼具有機和無機半導體材料的優勢,具有兩大「利好」:一是,通常無機LED發光管採取點式發光,不能做顯示屏,只有OLED才能做顯示屏,但鈣鈦礦LED有別於傳統無機LED,可以做顯示屏,且呈像色彩更為鮮豔。二是,鈣鈦礦 LED應用在照明上優勢也很明顯。

其一改傳統的LED室內照明點狀發光為面狀發光,使室內的光線不刺眼,更接近自然光,增加舒適度。傳統無機LED只能做小面積,但利用這項成果可以做成類似天花板大的面積,且較之傳統無機發光材料具有缺陷密度低、發光效率高、色純度好等優勢。

研究團隊認為,目前OLED元件的效率低、穩定性欠缺以及製造成本高等問題,限制了OLED拓展應用範圍,而高效鈣鈦礦LED工藝更為簡捷、能耗低、材料親和性強的特點,因此未來為其在發光領域開拓了新的研究方向,而高效鈣鈦礦LED產品一旦實現量產也將會擁有廣闊的市場空間。值得一提的是,這項科技創新成果也是目前為止鈣鈦礦LED元件外量子效率的產品,效率達到了11.7%。

黑磷發光技術

黑磷沒有石墨烯的缺點──石墨烯缺乏能隙(bandgap)而且與矽不相容;與矽的相容性可望促進矽光子元件(siliconphotonics)技術的發展,屆時各種芯片是以光而非電子來傳遞數字信號。率領該研究團隊的美國明尼蘇達大學教授MoLi表示:「我們首度證實了晶體黑磷光電探測器(photodetector)能被轉移到矽光子電路中,而且性能表現跟鍺(germanium)一樣好──這是光電探測器的黃金標準。」

磷在自然界是一種具備高度活性反應的物質──這也是為何它們被用來製造火柴──不過將磷在烤箱中以精確的溫度烘烤後,它的顏色會變黑,不但性質變得非常穩定,還轉變成一種純晶體型態,能剝離到矽基板上。明尼蘇達大學的研究人員使用20個單層(monolayer)的黑磷打造第一款元件證實其光學電路,據說可達到3Gbps的通訊速度。

黑磷超越石墨烯的最大優點就在於擁有能隙,使其更容易進行光探測;而且其能隙是可通過在矽基板上堆疊的黑磷層數來做調節,使其能吸收可見光範圍以及通訊用紅外線範圍的波長。此外因為黑磷是一種直接能隙(direct-band)半導體,也能將電子信號轉成光;Li表示:「我們的短期目標之一是製作黑磷電晶體,而長期目標則是在矽晶片中實現黑磷雷射元件。」
澳洲國立大學製成的單原子層狀磷烯,具有半導體性能,並有非常強的發光特性,可製作PV和LED。黑磷具有能隙,將它剝離並堆疊在矽基板上,可通過在矽基板上堆疊的磷層數來調整能隙,未來用於製作晶體管、傳感器、光探測、PV及LED等。黑磷具有潛在應用前景,全球有很多研究者。國內從事該研究的有中科院深圳先進技術所、深大、科大、復旦、上海應用數學所等。

二維半導體材料MX2

二維半導體MX2材料繼石墨烯之後成為高科技領域的新的研發熱點。由於這些材料具有獨特的晶格結構和特性,具有巨大潛在應用能力,倍受全世界研究者的重視。美國能源部(DOE)的勞倫斯伯克利國家實驗室報告了在光子激勵的MX2材料中首次實驗觀察到超快電荷轉移。

M一般是過渡族金屬元素,X一般是硫族元素。定量的瞬態吸收測量結果表明,MX2材料異質結結構的電荷轉移時間在50飛秒以下,與有機光電材料的最快時間記錄相當。MX2具有卓越的電學和光學性能,且其大面積合成技術快速發展,有望在未來獲得光子和光電應用。MX2由單層的過渡金屬原子,如鉬(Mo)或鎢(W)夾在兩層硫族元素原子如硫(S)之間。

由此產生的異質結構必然具有相對較弱的分子間吸引力(范德華力)。這些二維半導體具有與石墨烯相同的六角「蜂窩」的結構和超高速電導率;不同於石墨烯的是,它們具有天然的能帶。這有助於其在晶體管和其他電子設備中的應用。

鎢絲+納米光學晶體

麻省理工學院三位教授發表論文稱:鎢絲燈外置納米光學晶體,該晶體採用傳統淀積技術製備多層疊加在一個基板上,將光反射到燈絲,利用紅外熱又將燈絲發可見光全光譜,發光效率可達40%,還有更高的可能。原來的鎢絲燈或重返照明領域。

碳點發光技術

美國猶他大學兩位教授近期發佈:採用玉米殘渣、面包渣等在高溫高壓的溶液中經90分鐘加工形成碳源CDs,其中部分是碳量子點,尺寸小於20nm,將CDs懸浮在環氧樹脂中可形成LED,成為碳QLED。其優點是比硒化鎘量子點成本低,無毒無害,目標是利用廢棄物進行大規模生產這種碳QLED。


來源:汽車材料網

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