量子點應(yīng)用技術(shù)專利導(dǎo)航

【摘 ?要】量子點是重要的光電轉(zhuǎn)換材料，在電力照明、激光器、顯示器件、LED等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本綜述通過大數(shù)據(jù)篩選、深度標(biāo)引的方式，分析了專利申請人關(guān)注的量子點應(yīng)用領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析器件領(lǐng)域?qū)＠暾垜B(tài)勢。

【關(guān)鍵詞】量子點;專利;器件;應(yīng)用

一、前言

量子點一般是粒徑在1-10nm的納米材料，其與納米團簇和體材料的維度結(jié)構(gòu)不同，在三維空間中可以看做一個點，在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的納米材料相比轉(zhuǎn)變較大，展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)電學(xué)性能。量子點通常是由幾百到幾千個粒子組成的無機半導(dǎo)體材料。

從組成上說，目前主要分為Ⅱ-Ⅵ族化合物、Ⅲ-Ⅴ族化合物和單質(zhì)量子點。Ⅱ-Ⅵ族化合物中以Zn和Cd的氧化物、硫化物和硒化物為主，Ⅲ-Ⅴ族化合物中以InP、GaAs為代表。單質(zhì)量子點通常為Au、Se和Te量子點。從結(jié)構(gòu)上看，量子點分為核殼結(jié)構(gòu)和非核殼結(jié)構(gòu)的。構(gòu)造核殼結(jié)構(gòu)既可以增強量子點的熒光效率和熒光穩(wěn)定性，同時又可以有效地改善量子點的應(yīng)用領(lǐng)域。從應(yīng)用上分，量子點主要的應(yīng)用領(lǐng)域為光電器件、生物標(biāo)記、物質(zhì)檢測。本文所述量子點為半導(dǎo)體量子點。

量子點表現(xiàn)出獨特的光學(xué)性能、電學(xué)性能，如可調(diào)節(jié)的發(fā)射波長，窄的發(fā)射光譜，高的熒光強度。熒光量子產(chǎn)率、顏色純度、穩(wěn)定性等都是表明熒光性質(zhì)的重要參數(shù)。

量子點在電力照明、激光器、顯示器件、LED等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本綜述從半導(dǎo)體量子點的制備和改性出發(fā)，通過大數(shù)據(jù)篩選、深度標(biāo)引的方式，重點分析了專利申請人關(guān)注的量子點應(yīng)用領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)分器件領(lǐng)域?qū)＠暾垜B(tài)勢。

二、數(shù)據(jù)加工和分析方法

本文在分析現(xiàn)有量子點技術(shù)的基礎(chǔ)上，選擇半導(dǎo)體量子點有關(guān)的國際專利分類號C09K11/58、C09K11/54、C09K11/56、C09K11/62限定量子點的組成，并通過在摘要字段選用關(guān)鍵詞quantum dots、選用PATENTICS檢索工具，在中外文專利數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索獲得待加工專利文獻(xiàn)范圍。

本文重點關(guān)注量子點的制備過程中的應(yīng)用技術(shù)，因此，對文件的深度加工采用關(guān)鍵詞標(biāo)引的方式進(jìn)行，一級標(biāo)引關(guān)鍵詞為指紋、油墨、防偽等屬于不同的應(yīng)用場景，二級標(biāo)引關(guān)鍵詞為具體器件的類型如LED、電致發(fā)光器件、量子點激光器、顯示器件。

三、結(jié)果與分析

圖1a為半導(dǎo)體量子點技術(shù)專利在全球的申請趨勢圖。從圖中看出，申請量逐漸增加，量子點專利的申請經(jīng)歷了四個階段周期，第一階段為2003年以前，全球申請量較少;第二階段2004-2009年，量子點制備技術(shù)快速發(fā)展階段;第三階段2010-2013年，量子點制備技術(shù)穩(wěn)步增加發(fā)展階段;第四階段2014-2017年，量子點的制備技術(shù)多元化和應(yīng)用多元化快速發(fā)展;2018年申請量快速增加，目前量子點技術(shù)有望進(jìn)入第五個發(fā)展階段。

從圖1b可以看出，量子點技術(shù)專利申請重點為量子點的制備和改性，穩(wěn)定地制備具有高效率、適合不同用途的量子點是后續(xù)應(yīng)用量子點的基礎(chǔ)，屬于量子點技術(shù)的基礎(chǔ)專利布局。在具體應(yīng)用上，光電器件，包括光致發(fā)光器件和光電轉(zhuǎn)換器件是目前量子點產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的最大方向，生物醫(yī)療及分析檢測領(lǐng)域相對較少，但是也是未來量子點應(yīng)用的最大場景。值得注意的是，近些年，量子點的應(yīng)用范圍逐漸擴展到防偽、油墨、催化制氫、催化降解、指紋識別、3D打印、農(nóng)用轉(zhuǎn)光、紡織服裝等領(lǐng)域，有助于走向綠色化學(xué)、防偽安全、農(nóng)業(yè)、生活更廣的應(yīng)用。

圖1c為量子點器件分布情況，專利分布的重點在于LED及照明，其占55%，其中LED及照明均是利用量子點的光致發(fā)光特點，將不同波長的光轉(zhuǎn)換成特定波長的光，或者混合成白色光;顯示器件及電致發(fā)光器件占37%;其均是利用電致激發(fā)原理，即分別從QLED器件的陽極和陰極通電注入空穴和電子，空穴和電子通過QLED器件中相應(yīng)功能層的傳輸在量子點發(fā)光層復(fù)合后，通過輻射躍遷的方式發(fā)射光子即實現(xiàn)發(fā)光。光伏器件則是利用量子點的波長轉(zhuǎn)換提高光電效率，少量的研究為量子點的激光器，例如閃爍裝置。

QLED器件結(jié)構(gòu)圖為陰極、電子傳輸層、量子點層、空穴傳輸層、空穴注入層、柔性ITO導(dǎo)電層。從QLED器件的陽極和陰極通電注入空穴和電子，空穴和電子通過QLED器件中相應(yīng)功能層的傳輸在量子點發(fā)光層復(fù)合后，通過輻射躍遷的方式發(fā)射光子即實現(xiàn)發(fā)光。從以上過程可以看出，量子點自身的發(fā)光性能例如發(fā)光效率只是影響上述過程中輻射躍遷的效率，而QLED器件的整體發(fā)光效率還會同時受到上述過程中空穴和電子在量子點材料中的電荷注入和傳輸效率、空穴和電子在量子點材料中的相對電荷平衡、空穴和電子在量子點材料中的復(fù)合區(qū)域等的影響（CN107083238）。

從圖1d可以看出，中國在催化制氫/催化降解、3D打印、農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)光、紡織等領(lǐng)域填補了量子點應(yīng)用的空白;各國將量子點的基礎(chǔ)應(yīng)用一致定位于光電器件領(lǐng)域，中國擁有絕對優(yōu)勢的專利數(shù)量。

四、結(jié)論

本文通過對量子點專利的逐年申請量分析了量子點技術(shù)發(fā)展的四個周期階段;通過制備和改性、光電器件、生物醫(yī)療與分析、催化防偽等細(xì)分領(lǐng)域?qū)Ρ确治隽肆孔狱c可能具有的所有應(yīng)用領(lǐng)域，獲得了目前重點發(fā)展的領(lǐng)域為器件領(lǐng)域，有待開發(fā)的領(lǐng)域為紡織服裝、農(nóng)業(yè)、指紋等領(lǐng)域。通過對光電器件的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)量子點主要的應(yīng)用于LED和顯示器件。

作者簡介：

張亞平（1988-）碩士，現(xiàn)工作于國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，助理研究員，主要研究方向是發(fā)光材料專利審查。

（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心）