这8种固态发光新材料技术可能改变未来照明世界?

近期,有行业专家曾经指出,固态发光新材料新技术不容忽视,固态发光新材料、新技术中,尤其是提及若干年内将产业化的多项纳米级材料,将改变未来照明世界,这将对现有半导体照明带来极大挑战,并将改变未来照明世界,这对现有半导体照明带来极大挑战。然而,能否进入照明领域,唯一标准还是要以产品综合性比来评定,即节能指标、光色品质、可靠性和价格之比。

事实上,这些固态发展新材料,特别是石墨烯、磷烯、二维半导体材料MX2、钙钛矿等,除了具有发光性能之外,还可制备高性能电子器件、传感器、探测器、存储器、光电子器件等,一旦应用技术成熟并产业化,那将是颠覆性的技术创新,也将对电子信息产业产生深刻影响。下面我们就来逐一盘点,一并了解。

石墨烯

石墨烯作为一种新兴材料,已经成为资本追逐的热点。数据显示,我国已有相关石墨烯产业的企业近千家,而许多地方政府也是热衷石墨烯产业的发展,大兴土木,广纳政策兴建石墨烯园区。一些企业更是频频向大学院校和科研机构伸出橄榄枝合作开展石墨烯项目的研究与开发。美国著名企业家马斯克曾预测,内置石墨烯聚合材料电池的电动汽车未来的续航里程可以达到800公里,达到了传统汽车的续航水平。这一预测为石墨烯产业的发展提供了巨大的想象空间。

《“十二五”期间中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》显示,我国已申请了2200多项石墨烯专利技术,占世界石墨烯专利总数量的1/3。根据国家产权局、Wind数据库资料,2015年中国专利申请数量达7925个,居全球第一。事实上,在“十二五”期间,我国各地政府早已经瞄准了石墨烯这一新材料,并相继成立了一系列石墨烯产业化基地,包括宁波石墨烯产业园、常州江南石墨烯研究院、无锡石墨烯产业化示范区、青岛国际石墨烯创新中心和重庆石墨烯产业园、四川省石墨烯产业园等。此外,北京、安徽、黑龙江、湖南等多个省份也已开始着手筹划石墨烯产业发展规划。

初步统计,目前已有包括美国、欧盟、日本等发达国家在内的80多个国家和地区投入石墨烯材料及其应用的研发,且美、英、韩、日、欧盟等均将石墨烯研究提升至战略高度,期待它带来巨大的市场价值。据不完全统计,目前全球有近300家公司涉足石墨烯相关的研究和开发,其中包括IBM、英特尔、美国晟碟、陶氏化学、通用、杜邦、施乐、三星、洛克希德·马丁、波音等科技巨头。然而,我国尽管是石墨烯产业的专利大国,但其产品的转化率并不高。重要的还是科技创新,充分利用“企业+科研院校+市场”的模式。

有机发光二极管(OLED

近年来,OLED照明技术得到了越多的关注和应用,甚至一度成为了学术界和产业界最据研究性的热点话题,其如今已经摘去神秘的面纱,逐步走进人们的日常生活。

OLED照明,根据市场方面提供的最新一组调查数据结果显示,今年OLED车载照明面板的市场份额已达到7200万元,与去年同期相比增长了近五个百分点,对此,专家预测,到2017年,市场预期将突破1亿元。

作为高端照明光源,OLED照明以平面发光的特点实现了极近自然光、超薄、可挠曲、任意形状光源的优点,是时下高品质环保光源的代名词。作为照明行业最炙手可热的技术之一,OLED照明自问世之日起便受到了业内外人士的强烈追捧。

OLED具有很好的光色性能,将很快进入照明领域。首尔研究机构预测到2020年OLED照明产值达47亿美元,台湾光电所预测2020年LED与OLED照明产值之比为3:1,另有专家预测为四分之一。

激光照明

激光照明有两种不同的技术路线,即发白光的激光器和未来激光照明。美国亚利桑那大学研究一种纳米厚度由锌、镉、硫、硒构成ZnCdSSe,确保晶体并存,纳米薄片分成三部分,在光脉冲激发下可发R、G、B三基色的激光,混合成白光,可用于照明,也可用于光通信,光响应速率比普通LED快10~100倍。

诺奖获得者中村修二多次表示,激光照明是未来照明的观点。2016年6月25日,中村修二出席“2016中国·成都全球创新创业交易会”时接受媒体采访就曾经大胆预测:未来十年,激光照明将会取代LED照明。

中村修二认为,就他所研究的领域来看,10年后,激光照明很可能会代替现在的LED照明。据中村修二介绍,一个激光灯能够照亮100平方米的面积,因此激光照明的效率远比LED照明要高。但由于激光照明目前价格太高,导致应用率不高,相信未来将会是一个大趋势。

据了解,激光照明的效率是LED的上千倍,不仅能增加投射距离、提高安全性,同时体积更小、结构更紧凑,并能应用到多个广泛层面当中去。由于该技术是采用半极性GaN激光管结合先进的荧光粉技术,其优点是电流密度大,所需芯片面积更小、更节能、寿命长、方向性好等,但目前价位较高。另外,他还认为,多种不同技术路线的白光照明将长期共存。

钙钛矿发光技术

采用纳米结构的钙钛矿,用于发光照明及光显示,还可用于高性能电子器件,目前有三种技术路线。金属卤化物钙钛矿发光由英国剑桥大学卡文迪实验室研究,这种材料含铅、碳基离子和卤素离子,易溶于普通溶剂,干燥后形成钙钛矿晶体,制备设备价格低、简单、成本低,并提出钙钛矿LED五年内产业化。

有机卤化物钙钛矿发光是无机有机混合物,生产快速简单、成本低,在12V下,发光亮度达10000坎德拉/平方米,但性能不够稳定全无机钙钛矿量子点LED来自南京理工大学曾海波教授研究团队。该QLED发可见光400~800nm,量子效率大于70%,绿光光效达90%以上,能实现RGB三基色等多色电致发光。可用于发光、各种显示和激光显示。

据报道,此前我国南京工业大学黄维院士和王建浦教授团领导的研究团队经过科技创新成功研制出了一种高效钙钛矿LED。其研制的高效钙钛矿LED含有有机—无机杂化钙钛矿材料,兼具有机和无机半导体材料的优势,具有两大“利好”:一是,通常无机LED发光管采取点式发光,不能做显示屏,只有OLED才能做显示屏,但钙钛矿LED有别于传统无机LED,可以做显示屏,且呈像色彩更为鲜艳。二是,钙钛矿 LED应用在照明上优势也很明显。

其一改传统的LED室内照明点状发光为面状发光,使室内的光线不刺眼,更接近自然光,增加舒适度。传统无机LED只能做小面积,但利用这项成果可以做成类似天花板大的面积,且较之传统无机发光材料具有缺陷密度低、发光效率高、色纯度好等优势。

研究团队认为,目前OLED器件的效率低、稳定性欠缺以及制造成本高等问题,限制了OLED拓展应用范围,而高效钙钛矿LED工艺更为简捷、能耗低、材料亲和性强的特点,因此未来为其在发光领域开拓了新的研究方向,而高效钙钛矿LED产品一旦实现量产也将会拥有广阔的市场空间。值得一提的是,这项科技创新成果也是目前为止钙钛矿LED器件外量子效率的产品,效率达到了11.7%。

黑磷发光技术

黑磷没有石墨烯的缺点──石墨烯缺乏能隙(bandgap)而且与硅不相容;与硅的相容性可望促进硅光子元件(siliconphotonics)技术的发展,届时各种芯片是以光而非电子来传递数字信号。率领该研究团队的美国明尼苏达大学教授MoLi表示:“我们首度证实了晶体黑磷光电探测器(photodetector)能被转移到硅光子电路中,而且性能表现跟锗(germanium)一样好──这是光电探测器的黄金标准。”

磷在自然界是一种具备高度活性反应的物质──这也是为何它们被用来制造火柴──不过将磷在烤箱中以精确的温度烘烤后,它的颜色会变黑,不但性质变得非常稳定,还转变成一种纯晶体型态,能剥离到硅基板上。明尼苏达大学的研究人员使用20个单层(monolayer)的黑磷打造第一款元件证实其光学电路,据说可达到3Gbps的通讯速度。

黑磷超越石墨烯的最大优点就在于拥有能隙,使其更容易进行光探测;而且其能隙是可通过在硅基板上堆叠的黑磷层数来做调节,使其能吸收可见光范围以及通讯用红外线范围的波长。此外因为黑磷是一种直接能隙(direct-band)半导体,也能将电子信号转成光;Li表示:“我们的短期目标之一是制作黑磷电晶体,而长期目标则是在硅晶片中实现黑磷雷射元件。”

据悉,澳洲国立大学制成的单原子层状磷烯,具有半导体性能,并有非常强的发光特性,可制作PV和LED。黑磷具有能隙,将它剥离并堆叠在硅基板上,可通过在硅基板上堆叠的磷层数来调整能隙,未来用于制作晶体管、传感器、光探测、PV及LED等。黑磷具有潜在应用前景,全球有很多研究者。国内从事该研究的有中科院深圳先进技术所、深大、科大、复旦、上海应用数学所等。

二维半导体材料MX2

二维半导体MX2材料继石墨烯之后成为高科技领域的新的研发热点。由于这些材料具有独特的晶格结构和特性,具有巨大潜在应用能力,倍受全世界研究者的重视。美国能源部(DOE)的劳伦斯伯克利国家实验室报告了在光子激励的MX2材料中首次实验观察到超快电荷转移。

M一般是过渡族金属元素,X一般是硫族元素。定量的瞬态吸收测量结果表明,MX2材料异质结结构的电荷转移时间在50飞秒以下,与有机光电材料的最快时间记录相当。MX2具有卓越的电学和光学性能,且其大面积合成技术快速发展,有望在未来获得光子和光电应用。MX2由单层的过渡金属原子,如钼(Mo)或钨(W)夹在两层硫族元素原子如硫(S)之间。

由此产生的异质结构必然具有相对较弱的分子间吸引力(范德华力)。这些二维半导体具有与石墨烯相同的六角“蜂窝”的结构和超高速电导率;不同于石墨烯的是,它们具有天然的能带。这有助于其在晶体管和其他电子设备中的应用。

钨丝+纳米光学晶体

麻省理工学院三位教授发表论文称:钨丝灯外置纳米光学晶体,该晶体采用传统淀积技术制备多层叠加在一个基板上,将光反射到灯丝,利用红外热又将灯丝发可见光全光谱,发光效率可达40%,还有更高的可能。原来的钨丝灯或重返照明领域。

碳点发光技术

美国犹他大学两位教授近期发布:采用玉米残渣、面包渣等在高温高压的溶液中经90分钟加工形成碳源CDs,其中部分是碳量子点,尺寸小于20nm,将CDs悬浮在环氧树脂中可形成LED,成为碳QLED。其优点是比硒化镉量子点成本低,无毒无害,目标是利用废弃物进行大规模生产这种碳QLED。




来源:汽车材料网

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