新的蓝色量子点技术可以带来更节能的显示器

量子点是能够发射不同颜色光的纳米级晶体。基于量子点的显示设备承诺比前几代显示器具有更高的功率效率、亮度和色纯度。在显示全彩色图像通常需要的三种颜色(红色、绿色和蓝色)中，最后一种颜色已被证明难以产生。

一种基于自组织化学结构的新方法提供了一种解决方案，而用于可视化这些新型蓝色量子点的尖端成像技术被证明对它们的创建和分析至关重要。

仔细观察设备的屏幕，您可能会看到构成图像的单个图片元素、像素。像素几乎可以出现任何颜色，但它们实际上并不是屏幕上最小的元素，因为它们通常由红色、绿色和蓝色的子像素组成。这些子像素的可变强度使各个像素呈现出数十亿调色板中的单一颜色。

亚像素背后的底层技术已经从早期的彩色电视时代演变而来，现在有许多可能的选择。但下一个重大飞跃很可能是所谓的量子点发光二极管，或QD-LED。

基于QD-LED的显示器已经存在，但该技术仍在成熟，目前的选择存在一些缺点，特别是其中的蓝色子像素。在三基色中，蓝色子像素是最重要的。通过称为下转换的过程，蓝光用于产生绿光和红光。正因为如此，蓝色量子点需要更严格控制的物理参数。

SMART-EM捕获的蓝色量子点。图片来源：2022Nakamura等人。

这通常意味着蓝色量子点非常复杂且生产成本高，其质量是任何显示器的关键因素。但现在，由东京大学化学系的EiichiNakamura教授领导的一组研究人员找到了解决方案。

“以前的蓝色量子点设计策略是自上而下的，采用相对较大的化学物质，并通过一系列过程将它们提炼成有效的东西，”中村说。

“我们的策略是自下而上的。我们利用我们团队的自组织化学知识来精确控制分子，直到它们形成我们想要的结构。把它想象成用砖头盖房子而不是用石头雕刻房子。这要容易得多准确地说，按照你想要的方式设计，而且效率更高，成本效益也更高。”

但是，中村的团队制作蓝色量子点的方式很特别。根据测量颜色精度的国际标准(称为BT.2020)，当暴露在紫外线下时，它会产生近乎完美的蓝光。这是由于它们的点具有独特的化学组成，是有机和无机化合物的混合混合物，包括钙钛矿铅、苹果酸和油胺。只有通过自组织，才能将它们哄成所需的形式，即一个由64个铅原子组成的立方体，每边4个。

使用蓝色量子点的“电影化学”拍摄的视频剧照，包括显示样品原子排列的插图。图片来源：©2022Nakamura等人。

“令人惊讶的是，我们最大的挑战之一是发现苹果酸是我们化学难题的关键部分。我们花了一年多的时间有条不紊地尝试不同的东西来找到它，”中村说。

“也许不那么令人惊讶的是，我们的另一个主要挑战是确定我们的蓝色量子点的结构。在2.4纳米处，比我们试图用它创造的蓝光波长小190倍，量子点的结构不能“通过传统方式成像。因此，我们转向了一种由我们团队中的一些人开创的成像工具，称为SMART-EM，或者我们喜欢称之为‘电影化学’。”

电影化学是电子显微镜成像的演变，它更像是拍摄视频而不是拍摄静止图像。为了捕捉蓝色量子点的结构细节，这是必不可少的，因为纳米晶体实际上是非常动态的，所以任何一张它的图像都只能讲述它的一小部分故事。不幸的是，蓝色量子点的寿命也很短，尽管这是意料之中的，该团队现在的目标是通过工业合作来提高其稳定性。