量子點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)專利導(dǎo)航

【摘 ?要】量子點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn);專利;器件;應(yīng)用

一、前言

量子點(diǎn)一般是粒徑在1-10nm的納米材料，其與納米團(tuán)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(gè)點(diǎn)，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(diǎn)通常是由幾百到幾千個(gè)粒子組成的無機(jī)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(diǎn)。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(diǎn)通常為Au、Se和Te量子點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看，量子點(diǎn)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(qiáng)量子點(diǎn)的熒光效率和熒光穩(wěn)定性，同時(shí)又可以有效地改善量子點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域。從應(yīng)用上分，量子點(diǎn)主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣怆娖骷?、生物?biāo)記、物質(zhì)檢測。本文所述量子點(diǎn)為半導(dǎo)體量子點(diǎn)。

量子點(diǎn)表現(xiàn)出獨(dú)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)分析了專利申請人關(guān)注的量子點(diǎn)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(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，選擇半導(dǎo)體量子點(diǎn)有關(guān)的國際專利分類號C09K11/58、C09K11/54、C09K11/56、C09K11/62限定量子點(diǎn)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(diǎn)關(guān)注量子點(diǎn)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(diǎn)激光器、顯示器件。

三、結(jié)果與分析

圖1a為半導(dǎo)體量子點(diǎn)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(diǎn)專利的申請經(jīng)歷了四個(gè)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(diǎn)制備技術(shù)快速發(fā)展階段;第三階段2010-2013年，量子點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)技術(shù)有望進(jìn)入第五個(gè)發(fā)展階段。

從圖1b可以看出，量子點(diǎn)技術(shù)專利申請重點(diǎn)為量子點(diǎn)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(diǎn)是后續(xù)應(yīng)用量子點(diǎn)的基礎(chǔ)，屬于量子點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)應(yīng)用的最大場景。值得注意的是，近些年，量子點(diǎn)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展到防偽、油墨、催化制氫、催化降解、指紋識(shí)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(diǎn)器件分布情況，專利分布的重點(diǎn)在于LED及照明，其占55%，其中LED及照明均是利用量子點(diǎn)的光致發(fā)光特點(diǎn)，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(diǎn)發(fā)光層復(fù)合后，通過輻射躍遷的方式發(fā)射光子即實(shí)現(xiàn)發(fā)光。光伏器件則是利用量子點(diǎn)的波長轉(zhuǎn)換提高光電效率，少量的研究為量子點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)發(fā)光層復(fù)合后，通過輻射躍遷的方式發(fā)射光子即實(shí)現(xiàn)發(fā)光。從以上過程可以看出，量子點(diǎn)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(huì)同時(shí)受到上述過程中空穴和電子在量子點(diǎn)材料中的電荷注入和傳輸效率、空穴和電子在量子點(diǎn)材料中的相對電荷平衡、空穴和電子在量子點(diǎn)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(bǔ)了量子點(diǎn)應(yīng)用的空白;各國將量子點(diǎn)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(diǎn)專利的逐年申請量分析了量子點(diǎn)技術(shù)發(fā)展的四個(gè)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(diǎn)可能具有的所有應(yīng)用領(lǐng)域，獲得了目前重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域?yàn)槠骷I(lǐng)域，有待開發(fā)的領(lǐng)域?yàn)榧徔椃b、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(diǎn)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(shí)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(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心）