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（MicroLED）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。