寻找“下一代光源” 浙大青年学者持续研究发光二极管

制备过程中的钙钛矿LED。受访者提供

夜幕降临，街灯悉数亮起，城市依旧明如白昼；回到家中，拨动一个按键，立刻获得满屋光亮；打开一块屏幕，色彩便随光线溢出……

这是再令人熟悉不过的情景，熟悉到大多数人不再好奇——是什么在为我们照亮黑漆漆的夜晚？

每个人都耳熟能详爱迪生发明电灯的故事，但这盏灯泡之后的冒险，却不那么为人所知。

其实，在白炽灯诞生后，科学家仍在不断尝试创造更明亮、更持久、更节能的“灯”。一百多年间，荧光灯、钠灯、金属卤化物灯、发光二极管（LED）等光源相继出现，越来越多神奇的材料被“点亮”。

如今，我们习以为常的灯光还在发生变化，尤其在以高效节能著称的LED大家族中，有望诞生更先进的“下一代光源”。

浙江大学光电学院的狄大卫教授正是一位寻找“下一代光源”的青年学者。他与合作者曾创下溶液法制备有机发光二极管（OLED）和钙钛矿LED的发光效率纪录，近期又在钙钛矿LED的稳定性研究上取得了重大突破。

对话狄大卫，让我们一起认识LED这项“点亮”未来的发光技术。

以环保的方式

照亮新的世纪

钙钛矿发光材料测试。受访者提供。

2014年，诺贝尔物理学奖被授予了日本科学家赤崎勇、天野浩和日裔美国科学家中村修二，以表彰他们让半导体发出了明亮的蓝色光束。评选委员会在获奖成就声明中预言：“白炽灯照亮了20世纪，21世纪将被LED照亮。”

LED的发明被盛赞为白炽灯后“第二次发光技术的革命”。“它最大的优点之一就是节能。”狄大卫说，“白炽灯加热灯丝到两千摄氏度以上的高温，通过热辐射的方式发光，电能转化为热能，再转化为光能时产生大量损耗。而LED的发光并非以热辐射的形式实现，而是利用半导体中的电子跃迁将电能直接转化为了光能，发光效率显著提高。”

早在1907年，英国科学家亨利·朗德就已经观察到在碳化硅晶体两端施加电压后会产生“电致发光”的现象，但其发光特性较差。直到1962年，美国通用电气公司研究人员尼克·何伦亚克才创造出了一种名为磷砷化镓的材料，并利用它制作出了红光LED。何伦亚克也因此被称为“发光二极管之父”。

那么诺贝尔奖为什么唯独颁给了诞生最晚的蓝光？

狄大卫解释，这是因为在可见光中蓝光波长最短、能量最强。以它作为基本光源激发其他荧光材料，能够产生能量较低的各种颜色的可见光。不同光色的组合也可以实现用于日常照明的白光，或者用于显示技术。蓝光LED补齐了光谱，才使得LED在照明与显示等领域的大规模应用成为可能。

狄大卫记得这样一个数字：照明大约消耗了全球五分之一的电力资源。大量的能源消耗背后，产生的“碳足迹”不容小觑。据我国最新的电网排放因子显示，每发一度电，将排放出约0.58千克的二氧化碳。

城市化与工业化的加速必将使照明需求只增不减，但能源与环境危机同样攸关未来。在这样的背景下，LED成为了世界各地“绿色照明运动”的主角。

有数据表明，在同样亮度下，LED的耗电量大约是白炽灯的十分之一、荧光灯的四分之一。不仅如此，LED的使用寿命也很长，可以达到白炽灯的十倍甚至更久。可见，如果能够实现LED对传统光源的全面替换，不仅能够极大地节约电力资源，还能省下耗材和人工维护成本，在各个环节上减少对环境的影响。

“通过改变一个灯泡，改变我们的思维方式，我们就可以改变整个世界。”联合国前秘书长潘基文曾这样说。在今天，这句话依旧启发着我们去寻找更节能、高效的光源。

更精巧的光源

更丰富的信息

狄大卫、赵保丹与郭兵兵(从左到右)在实验室。浙江大学提供

光是信息传递的媒介。

蓝光LED诞生后，它所使用的氮化镓材料被用于制作半导体激光器，用在高密度光存储、激光直写光刻等技术中。比如，常见的蓝光DVD就是用蓝色激光读取和写入数据。在单位面积上，波长更短的光能够覆盖更多的信息，相应的光储存产品的容量也更大。

“LED和激光二极管，它们是一脉相承的。”狄大卫说。

思路拓宽，狄大卫又补充道：“我们身边的很多信息也在‘发光’。”想象一下，一天中，我们需要从几块小小的屏幕上获得多少重要信息？的确，从电器的指示灯，到街头的信号灯、广告牌，再到人人不离手的智能手机、电脑、电视等设备，本质上都是一个个光源。

这就要提到OLED。在所谓“下一代光源”中，OLED是目前商用化最成熟的一个，智能手机、高清电视等高端电子设备都会用到它。它的一大特点是可以主动发光。相较于把LED作为背光层的液晶屏，OLED产品非常轻薄，可实现超大面积，甚至可以弯曲一定角度，做成曲面屏、可折叠屏。

“OLED还能呈现出更丰富的色彩，从某种意义上说，信息的表达因此更加准确了。”狄大卫说，液晶显示器无法表现的“纯黑色”，OLED屏幕就能做到。

但这一技术并非完美无缺。发光分子材料是OLED的核心，也一定程度上成为了阻碍OLED技术突破的瓶颈。主流技术中，这种材料使用一些基于稀有重金属的磷光材料，通过真空蒸镀法进行制备。这些小分子材料虽然发光效率很高，但也存在几大问题——重金属成本高昂且普遍存在毒性；蒸镀法工艺复杂；关键技术与专利被欧美、日韩等国垄断。

在剑桥大学卡文迪许实验室读博士期间，狄大卫就在寻找一种效率能与小分子材料媲美的OLED发光分子。2016年，他从校外合作者寄来的一大堆发光分子中筛选出了几种新型分子，它们的种种特质引发了狄大卫的好奇。

“这些分子采用金、银、铜等常见金属，成本低，对环境友好，并且能通过更为简单的溶液法制备。”狄大卫说，实验室团队利用这些新型分子制作溶液法OLED，实现了高达27.5%的器件发光外量子效率，与蒸镀法OLED持平，在当时创造了低成本溶液法LED效率的世界纪录。

这项成果被学界认为具有里程碑式的意义。“溶液法制备的聚合物LED早在1990年就被我的博士导师理查德·弗兰德院士等人提出了，但它在发光效率上一直不具备竞争力，我们的成果开辟了一个全新的OLED技术路线，有望打破一直以来的专利技术垄断。”狄大卫说。

当下，人们对发光屏幕传递的信息质量要求仍在不断提高。高端电视、电脑、手机以及虚拟现实等应用，需要尽可能地减轻屏中世界的像素感，让视觉体验更加接近真实，显示技术必须向更严苛的方向与时俱进。

OLED之外，狄大卫团队也在进行与微型发光二极管（Micro LED）相关的课题研究，通俗来说就是把LED做的更小、更精密，向“高端显示”的目标靠拢。

“人类所有的科学技术都可被认为服务于三个领域——能源、信息和生命健康。”狄大卫这样总结，LED的发明节约了能源，也改变了信息传递的方式。未来，这场变革还将继续。

最年轻的LED

从奇迹材料中诞生

钙钛矿LED。受访者提供。

在狄大卫专注于OLED研究时，一种更年轻的LED诞生了。

2014年，狄大卫的导师和同事们最先尝试用钙钛矿制作LED。刚开始实验时，这些器件亮了几秒就熄灭了，测试出的发光效率不到1%。狄大卫开玩笑说，这顶多能做个闪光灯。

钙钛矿是什么？其实，它并不特指某一种矿物，而是一类结构相似的晶体的总称。钙钛矿的发现已经是200年前的事情，但它“火起来”的时间却只有短短十几年。2009年，日本科学家首次用人工合成的钙钛矿材料制备出太阳能电池，随后几年内，它的光电转化效率就迅速超过了其他薄膜太阳能电池——2016年，也就是狄大卫突破溶液法LED效率的那年，钙钛矿成为了《自然》杂志预测的未来光伏领域的“奇迹材料”。

“光转电和电转光，是两个互逆的过程。有科学家说过，一个好的太阳能电池很可能也是一个好的发光器件。”狄大卫说，他的导师与同事们首先想到了用钙钛矿制作LED。

有一组数字可以体现出钙钛矿作为发光材料的巨大潜力：OLED的外量子效率提高到20%，用了20多年，而钙钛矿LED的外量子效率从不到1%提高到20%，包括狄大卫等国内外多个科学家团队只花费了4年。“20%是发光外量子效率的一个重要节点。”狄大卫说，“说明钙钛矿LED的发光效率可以与OLED比拟。”

能在实验室用溶液法制备，工艺简单，成本比OLED低廉数倍，此外有光色可调、光谱纯度高等优点，发光效率也不断刷新纪录——光环汇聚的钙钛矿LED是否已经“无敌”？其实不然。经过数年的发展，它仍然难以摆脱“短寿命”的标签。

“今年初还有科学家很尖锐地说，钙钛矿LED没有未来。”狄大卫坦言，他自己也曾一度认为，这种材料有不稳定的“基因缺陷”，在他与赵保丹等科学家将钙钛矿LED的效率提升到20%以上的那项研究中，器件只在低电流下维持了约46小时的寿命。

直到最近，质疑声才少了许多。狄大卫与赵保丹团队最新的研究终于证明了所谓的“先天不稳定”是可以弥补的，在与高亮度OLED相当的光功率——也就是与手机屏幕的中高亮度相当的功率下，由他的硕士生郭兵兵制备的近红外钙钛矿LED寿命长达3万2千多小时(约3.7年)，在更低的亮度下，其寿命甚至有望达到270年。

超长工作时间的“奇迹”得益于一种双极性分子稳定剂的引入。它能同时“牵制”住钙钛矿材料内部的阴阳离子，防止它们在电场的作用下发生迁移，从而阻止晶体结构的相变。

正如LED走过了从红外光、红光最后到蓝光的发展历程，钙钛矿LED研究下一步的目标就是提升各个光色的稳定性。在狄大卫团队的成果发表三个月后，韩国科学家团队也报道了长寿命的绿光钙钛矿LED。他们研发的绿光钙钛矿LED的寿命，远不如近红外钙钛矿LED。

“这个过程有点像破案一样，我们找到了解决离子迁移问题的方法，其他光色的钙钛矿LED衰减还涉及其他因素，但解决的思路或许是类似的。”狄大卫说。

一般认为，一万小时的寿命是LED产业化的门槛，超稳定近红外钙钛矿LED的实现，为钙钛矿发光技术走向实际应用铺平了道路。

“在光伏领域，虽然同样存在诸多的不确定性，但钙钛矿太阳能电池已经迈出了产业化的第一步，说明大家对新技术还是有信心的。”狄大卫说，钙钛矿LED比太阳能电池晚出现五年，我们有理由期待，五年后，能够看到钙钛矿LED在产业化方向掀起风浪。

所有技术实现应用的可能性，都起源于实验室中一次次对极限的挑战。

狄大卫团队近期发表的另一项研究揭示了LED超低电压发光的物理本源。LED是否存在最低工作电压的基本极限？狄大卫很多年前就在思考。到了浙江大学，他把这个问题抛给了他的学生们。他的一位博士生连亚霄将设想变为了现实——他制备和测试了几乎所有种类的LED，搭建了一套极其灵敏的观测系统，耗时两年多，最终发现所有类型的LED都能在一个极低的电压下释放出光子来。

这个普适物理机制的发现，表面上看仅仅属于基础研究的范畴，但只要稍加一些想象力，就能洞见它为我们描绘出的超低压光通信与计算的广阔愿景。而在狄大卫来看来，我们对科学发现应用前景的展望往往还受到想象力的局限。

“LED是一个很神奇的东西，它还有很多未知的特性等待我们去探索。”狄大卫说。在他的实验室中，年轻的学者们做的正是这样一件纯粹的事，保持好奇，探索未知。