无机半导体、有机光源和胶体量子点正在推动LED在照明和显示领域的革新。

从太阳能电池板和望远镜到激光手术工具和光缆，在对光与物体相互作用的探索中发现的基本规律使得很多改变世界的创新成为可能。联合国将2015年宣布成为国际光与光学技术年，《自然》杂志通过挑选出对了解和掌握光做出科学贡献的研究论文和观点来进行了庆祝活动，在这些科学贡献当中，由2014年诺贝尔奖获得者赤崎勇，浩天野之弥和中村修二开发的高校、蓝色发光二极管是最重要的科学贡献之一。在这一期中，我们探索了很大范围内的材料用于LED应用的潜力，并讨论了这项技术对我们社会的影响。

从电弧或者从白热的灯丝中产生光的可能使19世纪的照明行业产生了变革，目前白炽灯和荧光灯管是照明应用中的领先技术。然而，无论在效率（电能转化为光能的比例）的发光的质量方面，白炽灯和荧光灯管都远远达不到最佳效果，这就是LED发挥作用的地方，LED基于电致发光技术，这是一种1907年发现的基于电荷注入半导体的重组的高效光转化过程。然而，就像Philipp Pust、Peter Schmidt和Wolfgang Schnick在454页的评论中讨论的一样，理解怎么利用电致发光这一过程制作高性能光源花费了人们几十年的时间。事实证明，组成器件的半导体材料的结晶性能以及通过引入掺杂原子修改电子传导性能的可能性对于无机LED的性能是至关重要的；但是两个因素在于蓝色光谱范围发光的宽能带隙材料都是很难控制的。三位诺贝尔奖获得者的研究中取得了突破，他们开发了一种基于金属-有机物化学气相沉积的生长过程和一个后生长热处理，使得在1994年，一个基于氮化镓化合物的蓝色LED的制造成功。

从这些化合物中获得的高能蓝光和紫外光对于多个应用有利，例如高密度光存储和灭菌过程。重要的是，或者加入发光材料将部分蓝波转变成绿光、黄光和红光，或者将器件与基于磷化镓的LED组合，使得蓝色LED使得超高效经久耐用的白色光源成为现实。合适的材料选择可以使发光性能进行优化以适应特定的照明应用。例如，罗马的西斯廷教堂用经过优化的白色LED照明，以最大限度减少对这些已经有500年历史的壁画装饰的墙壁和天花板由光引发的伤害。所谓的固态照明革命，就是在照明应用上显著减少能源需求（这代表在工业经济时代至少20%的电能消耗），进而有利于减少温室气体的排放。

 

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图1：《分开光明与黑暗》，西斯廷教堂的天花板上米开朗基罗的壁画之一，现在用LED照明。

自从电致发光有机半导体和胶体量子点的第一次闪光被观察到以后，有机LED（OLED）和量子点LED（QD-LED）也进入了固态照明的竞赛当中。目前，有机LED和量子点LED的整体效率和平均寿命落后于无机发光二极管，然而，就像Sebastian Reineke在459页的平均中所说，OLED和QD-LED可以利用其它的优势，例如与大面积沉积和制像技术，以及种类广泛的基材的相容性，包括支持柔性基材。此外，超薄、大型OLED面板如果降低每单位面积光亮度可以提供与紧凑型LED相同的光输出，得到一种使眼睛感到舒服且兼有艺术性应用的无眩光源。除照明以外，平板OLED在显示器市场的应用已经是不争的事实，在显示器市场，OLED和由无机LED背光的液晶显示屏（LCDs）在提供优异的画面质量和大范围显示尺寸的长期稳定性方面展开竞争。尽管QD-LED显示器的商业实例进入市场可能需要一段时间，最近，量子点作为荧光光源的优异性能与高效蓝色氮化镓LED相结合已经被用来制作显示器，增强色彩纯度。

毫无疑问，固态光源目前的表明显与白炽灯泡相比已经是一个显著的进步，更进一步的技术和材料优化很可能导致出现价格更低效率更高且寿命延长的设备。LED为更可持续的未来提供了一个光明的希望。

新材料在线编译整理——翻译：田云    校正：摩天轮

参考文献

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