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南理工团队发光显示材料研究不断取得突破
时间: 2024-10-25 13:06:29 | 作者: 贝博bb平台登录入口
实验室内，一瓶黄色的试剂在磁力搅拌器上快速旋转运动，李晓明教授和他的学生正全神贯注地观察着细节变化。这是南京理工大学材料科学与工程学院实验室，科研人员在为提高一种发光显示材料的性能做尝试。
几年前，李晓明所在团队发表的关于“研发出钙钛矿量子点作为新型发光显示材料”的论文，是当时国际上首次报道的最纯的量子点体系。去年，李晓明所在团队获得了江苏省科技奖一等奖，这项研究对提高量子点材料的效率、增强发光器件的稳定性、降低屏幕的显示能耗，提升显示屏的色彩表现能力做出了突出贡献。为了让显示更加清晰，色彩度更逼真，李晓明教授团队在新型量子点发光材料的研究上一路狂奔。本期“见证南京高校‘科技原创力’栏目”走近致力让显示材料迭代、“视”界更精“彩”的量子点研究团队。
“传统的显示材料运用的原料是荧光粉，光谱非常宽，发光的颜色纯度不够，这是传统显示材料存在的最严重的问题。”李晓明和记者说，上一代液晶显示器其实是用到了一个白光背光板，同时显示器上面仍有很多层膜，每一个像素点由TFT（薄膜晶体管）驱动，通过电压的强弱变化控制出光，展现屏幕颜色的效果。通俗来讲，就是屏幕上显示出来的色彩是通过调节荧光材料中的三基色红绿蓝来控制的，就像电子设备屏幕中看到的黑色，只是把白光遮住了，光学层仍在工作，这在某些特定的程度上浪费了大量的能耗。
李晓明介绍了目前最新的三种显示技术，“目前三个主要的显示技术方向分别为OLED（有机发光二极管显示器）、QLED（量子点发光二极管显示器）和MicroLED（微发光二极管显示器）。”这三类显示技术的优势显著，色彩明显更逼真，色域的覆盖范围更广，另外还可以独立控制像素的开关，也就是说需要显示什么色彩，就让哪种颜色的发光材料发光，不需要的颜色就不发光，大幅度减少了屏幕的耗能量。李晓明团队将研究放在了QLED上。
目前，OLED显示器很成熟，但成本很高。怎么来降低显示材料的成本？他们团队做的是无机卤素钙钛矿量子点研发。与传统发光材料相比，钙钛矿量子点能够最终靠多种无机材料来合成，成本较低。同时，钙钛矿量子点发光材料的显示器在色彩控制的精确性、红绿蓝色彩纯净度、色域覆盖率等方面全面升级，能更还原色彩的真实度。“现在的主要目标就是把显示材料的光谱做窄一点，光谱越窄，显示屏色彩的纯度越高。”李晓明举了一个生动的例子：“就像购买电视时看到的同一幅画面，在不同的电视显示屏幕里面呈现的色彩鲜艳程度是不一样的，眼睛看见得更真实。”
“我从2014年读博士的时候，就跟着导师做发光材料的研发。”李晓明说，量子点不是天然存在的，需要研发合成。
“我们其他同事在做理论模拟时，无意中发现，铯、铅、卤素等元素结合在一起竟然有发光性能，而且发光的色彩纯净度比普通发光材料更好。”说起当时的发现，李晓明到现在都一脸兴奋。于是他们的实验在“没日没夜”中进行着。
“把一件事情做好，需要的是长期的坚持。有时候一个点子或是灵感就在一瞬间，这一瞬间可能是在半夜突然想到，我也会爬起来拿手机记录一下。”李晓明和记者说，合成钙钛矿需要不一样的材料的发光性能，对不同的合成材料来实验，过程进行了大量的测试，“一千次有点多，上百次是有的。”李晓明说，“每个元素加多少，比例是多少，溶液又是多少……虽然绝大多数实验是失败的，但每次的实验都让人充满期待。”
量子点的研发之路是艰辛的，很多条件也非常苛刻。“就像油与水不相融一样，合成钙钛矿量子点采用的溶剂，要满足互融条件但是溶解度差极大等苛刻条件。”李晓明和记者说，室温控制在25-30摄氏度最好，在这个条件下合成的发光材料颜色更鲜艳，发光效率更加高。“看到合成漂亮的颜色，心里很开心。”
研发之路没有尽头，没有最好只有更好。“最近我们得知，量子点上加一个配体，稳定性更高。”李晓明说，“传统的发光材料上班时间久了温度会升高，因此导致发光材料的稳定性变差，发光性能就会变差，甚至导致‘罢工’。但是最近，我们得知量子点加点配体，温度再高，也不影响量子点的发光性能。”
“这也是在做合成的过程中偶然发现的。当时，实验室的一位研一新生在做表面包覆的实验，加入的一个配体虽然无效，但是对提升量子点的抗荧光热猝灭却有效。这是不是偶然现象，还是这个配体就是对量子点有稳固性能的作用？如果真的有用，有无机理和规律？我就鼓励他们继续朝下做。”李晓明表示，这意外的发现建立在前期做大量实验研究的基础之上。
李晓明和记者说，发光器件的稳定性与发光材料紧密关联。如今李晓明团队正在做的研究发现，在100摄氏度的条件下，钙钛矿量子点发光材料的发光效率基本保持不变。他们目前的研究，主要是逐步提升材料与发光器件的性能与稳定性。“目前发光材料的效率能够接近96%-99%。”李晓明说，“我们大家都希望无限地接近100%。”
研发新的量子点发光材料的动力是其结果的确定性。李晓明向记者介绍，目前量子点发光显示材料已经在TCL等智能家电、手机等科技型企业得到应用，作为重资产的投资项目，受到了国家的全力支持。“量子点显示的研究开始于欧美，兴起于日韩等国家。我们团队2015年在国际上首次报道研发出钙钛矿量子点，受到美国、加拿大科学院院士等称赞，被认为是当时发光最纯的量子点显示材料。得益于国家的投入，中国的显示行业市场占比很大，目前，我们显示行业的科研也是走在世界前列的。”
除了在科研领域的突破，李晓明作为一名老师，在教学以及其他感兴趣的领域也同样尽心尽力。从本科生到博士生，李晓明都热情参加学生的教学，同时也会参加校外的讲座。李晓明在自己感兴趣的领域不断耕耘、发光发热。作为青年人才、90后教授，李晓明入选中国科协青年人才托举工程、全球/中国高被引科学家。