聚焦纳米技术和量子点

在美国，10月9日是国家纳米技术日 。选定该日期的原因在于，其对应于纳米（nm）尺度，即10^-9米（1微米(µm)等于1米的1/1000，1纳米等于1微米的1/1000）。纳米技术最早于20世纪60年代面世，在过去的20年里迅猛发展，并且未来有望在多个行业中发挥越来越重要的作用。

目前，电子产品、能源和生物医学领域占据纳米技术市场的70%¹，与此同时，该技术对国防、化妆品、汽车、农业、环境技术、纺织等多种行业的影响也越来越大。据预计，到2024年，全球纳米技术市场规模将达到1250亿美元。²

什么是纳米技术？从本质上讲，这是一个新的科学领域，专注于通过控制材料的分子结构来改变材料的内在特性或创造新的材料，描述了新型材料和设备的创造过程，“这些材料和设备具有基于纳米结构的几何或特定材料特性和新颖功能”。³ 举例来说，石墨烯是对碳分子的一种改性，以制造出尺寸仅为一个原子厚度的圆柱形薄片。

石墨烯比钢铁更硬，比钻石更坚固，比铝材更轻质，在所有已知的材料中具有最高的电子迁移率，并且对从紫外线到远红外线波长范围内光线的透光率超过97%⁴。此外，石墨烯还具有高度的柔性，研究人员们利用这一特性开发出了一种称为“电子皮肤”或“智能绘图”的石墨烯贴片，可以用作无线传感器来监测人体脉搏、呼吸、水合状况和身体运动。⁵

石墨烯健身贴片可以监测脉搏、呼吸和水合状况（图片来源：ICFO, 来源）。

量子点纳米技术

量子点（QD）是一种纳米技术，应用范围包括电子显示器、生物医学治疗等。量子点是直径约为2-10纳米（nm）的单个纳米粒子（纳米晶体），本质上是微小的半导体，其标志性特征是兼具光学和电学特性。

当通电或暴露在光线下时，量子点会发出纯净的单色光，光线颜色取决于粒子的大小和形状：较大的量子点发射出红色光谱范围内的较长波长（约620-750 nm）；较小的量子点则发射出较短的波长，更接近可见光光谱范围内的紫色端（约380-450 nm）。

这种产生不同光输出的“可调性”使量子点（QD）技术可用于广泛的荧光、光子和电化学应用。同时，量子点技术还具有极高的能效：应用于量子点系统的能量几乎能够100%以光线形式发射出来。

不同尺寸的镉和硒（CdSe）量子点装在这些小瓶中，悬浮在传热流体中，其荧光波长取决于量子点的大小和形状。（图片来自莱斯大学催化与纳米材料实验室，经由Creative Commons licenseCC. By-SA 3.0取得使用许可）

量子点可由多种材料制成，如硫化锌、硫化铅、硒化锌、硒化镉或磷化铟。当应用于人体内时，量子点材料通常带有保护性聚合物涂层，以防止任何毒素渗出。在生物医学领域，研究人员们正在利用量子点的光物理特性开发更具“个性化”的医学方法以及治疗癌症和其他疾病。

举例来说，我们可以将量子点包裹在一个外壳中，该外壳经过调整，可以找到并附着在人体内的疾病受体上。然后，通过检测到荧光粒子簇，为内科医生提供一种非侵入性方法，用于确定癌细胞或其他有害细胞的确切位置。量子点甚至可以用于在人体内输送治疗药物。例如，量子点技术可以将化疗药物直接输送至癌细胞位置，最大限度地减少对周围健康细胞的有害影响。⁶

聚集在癌细胞（红色）周围的量子点有助于内外科医生精确定位和治疗疾病。比例尺= 20 µm。（图片：来源）

量子点技术在显示器行业的应用

显示器行业一直在寻找能够提供更高分辨率、更明亮、更生动的屏幕图像的先进技术。该行业已迅速采用量子点技术。一种常见的方法是在LED背光屏幕上层叠量子点增强膜（QDEF），以提高图像质量。蓝色LED背光由量子点技术转换为纯红光和绿光，并与蓝光结合形成RGB像素。

显示器行业可以通过多种方式将量子点技术应用到显示器中，以利用其光学/视觉和电子特性。美国电气和电子工程师协会（IEEE） 对一些主要的量子点显示器类型进行了分类⁶，包括：

• 光增强量子点电视机 – 将量子点插入LED阵列与滤色片之间，用于净化电视机背光，改进屏幕上的图像色彩。优点包括：在高峰值亮度下提供生动的色彩、生产成本低、无老化效应（与OLED屏幕不同）。这种新型电视机可以使用现有的LCD生产设施和基础设施进行制造。

光增强量子点电视机结构（插图：James Provost，来源：IEEE Spectrum）。

• 光发射量子点电视机 – 将量子点用作滤光层。蓝色背光板激发量子点，然后量子点自身变为红色和绿色亚像素；滤光层中的微孔使背光能够穿透并产生蓝色亚像素。这种结构的优点包括：相比传统LCD电视机，显著提高效率和亮度（多达三倍），并提供宽广的视角。这种新型电视机可以使用现有的LCD电视机生产设施和基础设施进行制造。

光发射量子点电视机结构（插图：James Provost，来源：IEEE Spectrum）。

• 电发射量子点电视机 – 将电流施加到量子点，促使其直接发光（无背光）。这种结构的优点包括：完美的视角和黑电平、刷新速度快、柔性基板、无需滤光层且使用寿命长。潜在的低成本制造应用。

电发射量子点电视机结构（插图：James Provost，来源：IEEE Spectrum）。

• MicroLED量子点电视机 – 有些microLED电视机使用带有量子点的微型单色LED阵列，用于为红色和绿色亚像素提供色彩转换。这种结构的优点包括：完美的视角、完美的黑色色彩、无需滤光层、刷新速度快、可在柔性基板上构建以及可提供最明亮的显示器技术。MicroLED显示器需要独特的制造基础设施。

microLED量子点电视机结构（插图：James Provost，来源： IEEE Spectrum）。

市场上目前已出现多款使用量子点技术的商业产品。首款产品是2013年面世的索尼 Triluminos电视机。三星的量子点LED（QLED）电视机于2017年首次发布，现已开始普及。三星的Neo QLED电视机是其推出的最新创新产品，以miniLED背光板取代标准LED背光板，提供更精确的亮度控制（局部调光）。

量子显示器的质量和性能保证

虽然量子点显示器可能提供卓越的视觉性能，但仍面临与传统显示器相同的质量问题。无论采用何种结构和制造方法，量子点显示器都可能出现死像素、Mura缺陷（瑕疵）和不均匀性问题。如果在生产过程中未能识别和纠正这些缺陷，则会损害用户的观看体验，导致用户满意度降低。瑞淀的视觉检测解决方案可以从像素和亚像素层面测量显示器的性能和均匀性，空间分辨率精确到0.45 µm。

瑞淀开发了一种专有方法，用于测量和校正OLED、microLED和类似自发光显示器中的像素间变化。瑞淀的ProMetric^®成像亮度计和色度计与人类视觉对光线和色彩感知的敏锐度和辨别力相匹配，以确保如今超高分辨率显示器的绝对质量。通过单独使用瑞淀的成像解决方案，或者将其与我们的显微镜头搭配使用，量子点显示器制造商们能够在生产线速度下以亚像素级精度评估显示器的性能和均匀性，并获取可重复的测量结果。

瑞淀的ProMetric Y 成像亮度计 及 显微镜头，用于测量OLED显示器的亚像素。

庆祝“纳米技术日”

快去参加2021年10月9日（星期六）的“纳米技术日（Nano Day）”庆祝活动吧。美国各地的大学、研究中心和科学组织策划了各种以纳米技术为主题的活动。一些国际同行们也加入了进来。例如，欧洲出版商Springer主办了一场为期半天的免费会议，邀请顶尖科学家、研究人员和杂志编辑们进行演讲。

The 美国国家纳米技术计划组织建议，我们可以通过进行1000亿纳米（即100米）跑步活动来纪念这一时刻。请准备好你的秒表和相机！

 

引用文献

1. Global Nanotechnology Market (by Component and Applications), Funding & Investment, Patent Analysis and 27 Companies Profile & Recent Developments – Forecast to 2024. Report published by Research and Markets, April 2018.
2. Ibid.
3. Yaniv, Z., “Nanotechnology and Display Applications.” Presentation of Applied Nanotech, Inc., February 2015.
4. Savage, N., “Tomorrow’s industries: from OLEDs to nanomaterials.” Nature, December 11, 2019.
5. Niu, S., et al., “A wireless body area sensor network based on stretchable passive tags,” Nature Electronics, No 2, pp. 360-368, August 15, 2019.  doi: 10.1038/s41928-019-0286-2
6. Fang, M., et al. “Quantum Dots for Cancer Research: Current Status, Remaining Issues and Future Perspectives.” Cancer Biology & Medicine 9(3): 151-163, September 2012. doi: 10.7497/j.issn.2095-3941.2012.03.001
7. Luo, Z., Manders, J. and Yurek, J., “Your Guide to Television’s Quantum-Dot Future.” IEEE Spectrum, February 22, 2018.