基于组分调控的阴离子空位控制方法在I–III–VI型CuIn(S1?xSex)2量子点中的应用，以实现高效的光电化学氢气生产

《eScience》：Composition-driven anion vacancy control in I–III–VI CuIn(S 1? xSe x) 2 quantum dots for efficient photoelectrochemical hydrogen production

碳点（CDs）因其低成本、无毒性和可调发射特性成为下一代光电器件的重要候选材料。然而，CD-LEDs在效率、色纯度和稳定性方面仍逊于传统金属基LED。本文系统分析了CDs在单色和白色LED中的应用进展，指出材料设计（如窄带发射、高PLQY）、电荷传输优化（如能带工程）和光提取技术（如微纳结构）是关键突破点，并探讨了机器学习辅助设计和柔性显示集成等未来方向。

　　
碳点（Carbon Dots, CDs）作为一种新兴的纳米发光材料，因其优异的物理化学性质和潜在的低成本应用前景，近年来在显示和照明技术领域备受关注。本文系统梳理了CDs基LEDs（CD-LEDs）的技术进展、现存挑战及未来发展方向，重点围绕单色显示和白色照明两大应用场景展开分析。

### 一、CDs的技术优势与产业机遇
CDs作为量子点家族的重要成员，具有以下显著优势：首先，其合成原料广泛，可通过生物质（如植物提取物、果皮等）或化学前驱体（如苯二胺衍生物）低成本制备，原料成本仅为传统量子点的1/10至1/100。其次，CDs的表面化学性质可调控，通过表面修饰（如氨基、羧基化）可有效降低毒性，满足欧盟RoHS指令对镉、铅等重金属的限制要求。再者，CDs的溶液加工特性使其在柔性显示和大规模印刷制造方面具有天然优势，薄膜制备过程无需真空沉积设备，能耗降低约60%。

在显示技术领域，CDs的色域覆盖度已达到Rec. 2020标准的81%，尤其在蓝光发射性能上表现突出（EQE达10.8%），接近商用OLED水平。照明领域则展现出更广阔的应用潜力，通过掺杂不同比例的CDs，可实现色温从2700K（暖白）到6500K（冷白）的连续调节，且光效（LE）可达15-30 lm/W，接近传统LED水平。

### 二、单色CD-LED的技术突破
#### 1. 窄带发射调控
针对Rec. 2020标准要求的RGB发射波长精度（红630±30nm、绿532±20nm、蓝467±20nm），研究者通过分子结构设计实现了发射峰半高宽（FWHM）从传统30-50nm降至20-35nm。例如，基于植物源碳点的红光LED通过引入刚性芳香环结构，将FWHM压缩至25nm，色纯度达到显示级标准。蓝光LED则通过表面氨基修饰（如苯并咪唑基团）将激发态寿命延长至800μs，显著提升电荷传输效率。

#### 2. 高效激子利用
传统CDs荧光量子产率（PLQY）受限于激子复合过程中的能量损失，通过引入 triplet- harvesting strategies（如热活化延迟荧光，TADF），可将EQE提升至5-10%。典型案例如基于多环芳烃结构的对称B-CQFs材料，通过优化分子排列实现了0.07eV的能级差（ΔE_st），其CD-LED在2.5V驱动下达到20.4%的EQE，色坐标（0.23,0.66）接近标准白点。

#### 3. 器件稳定性提升
通过掺杂氮、硫等杂原子（如0.5mol% B掺杂），可在保持PLQY>85%的同时将器件寿命从实验室的3小时延长至500小时以上。表面包覆技术（如PTAA/PVDF复合涂层）使蓝光LED在1000cd/m2亮度下的寿命突破2000小时，接近商用LED标准（30000小时）。

### 三、白光CD-LED的产业化路径
#### 1. 三原色混合方案
采用RGB三色CDs共掺杂策略，通过控制各组分比例实现色温精准调节。例如，当红光CD（679nm）:绿光CD（510nm）:蓝光CD（433nm）=1:2:1时，可获得色温为5600K的商用白光，CRI达95以上。该方案通过优化溶液浓度梯度（0.1%-5%掺杂比例），使发光效率提升30%。

#### 2. 拓扑结构设计
基于分子自组装原理，开发出"洋葱型"多级结构CDs（如Zhang等人设计的DB-CQFs），其内部HOMO-LUMO能级差控制在0.3eV以内，同时通过空间位阻效应将PLQY稳定在80%以上。这类材料可使白光LED亮度突破2000cd/m2，色坐标偏差<5%。

#### 3. 机器学习辅助开发
通过构建反应参数-光学性能（发射波长、PLQY、EQE）的深度学习模型，成功将CDs开发周期从平均18个月缩短至6个月。例如，Kang团队利用迁移学习框架，在3个月内筛选出7种新型掺杂CDs，使白光LED色温调节范围从5000K扩展至12000K，CRI提升至92.5%。

### 四、关键挑战与解决方案
#### 1. 效率瓶颈突破
当前CD-LED最大EQE为20.4%，较理论极限仍有提升空间。通过双功能分子设计（如同时具有供体-受体结构的四苯基乙烯衍生物），可将激子利用率从传统25%提升至75%。特别在近红外波段（>600nm），采用硫代磷酸盐掺杂使PLQY突破90%，为红光LED开发奠定基础。

#### 2. 长期稳定性提升
通过界面工程（如LiF/Al复合阻挡层）可将器件在85%RH环境下的寿命延长至10,000小时。引入动态共价键（如亚胺键）的CDs材料，在光照300小时后仍保持>90%的光致发光强度。

#### 3. 连续大面积制造
采用旋涂-热压转移技术，在6英寸玻璃基板上的CD-LED像素密度可达1200pPI，良率突破85%。通过开发兼容PDMS的柔性电极（银纳米线/石墨烯复合膜），成功在1mm厚柔性基板上实现全彩显示。

### 五、未来发展方向
1. **多尺度结构设计**：结合分子自组装与纳米模板技术，构建具有分级结构的发光层，预计可使EQE突破30%。
2. **钙钛矿-CDs杂化体系**：通过界面工程实现激子定向传输，将白光LED效率从当前1.2%提升至5%以上。
3. **智能调控技术**：开发基于光/电/热协同调控的智能LED，通过机器学习实时优化发光性能。
4. **大规模生产技术**：建立连续流合成-印刷-封装一体化产线，目标实现每分钟500片8英寸基板加工能力。

### 六、产业化评估
从成本竞争力角度，CDs原料成本（$9.5/kg）仅为传统QDs（$385/kg）的2.5%，且规模化生产后单件LED成本可降至$0.15（传统LED的1/3）。环境合规性方面，CDs符合RoHS指令的所有限制条款，而传统QDs需额外投入$2.5/kg的污染治理成本。预计到2027年，CDs在显示领域的市场规模将达42亿美元，年复合增长率18.7%。

当前主要障碍集中在光谱纯度（绿光FWHM>30nm）和器件寿命（平均<500小时）。突破路径包括：开发基于DFT计算的分子设计软件，实现亚原子级能级调控；建立器件失效分析数据库，通过加速老化实验预测寿命；引入微流控技术，将CDs合成批次稳定性从±15%提升至±3%。

总体而言，CDs在下一代显示技术（Micro-LED、柔性OLED）和环保照明领域展现出独特优势。通过跨学科协同创新（材料学+光学工程+AI计算），预计在2025-2028年间实现关键性能指标（EQE>15%，寿命>10000小时）的商业化突破。