利用含有CdSe粒子的聚亚安酯覆盖发光波长为400nm的LED，就能将光线转换成白色发光。（照片提供：Daniel Dubois/Vanderbilt）

    由美国田纳西州范德堡大学（Vanderbilt University）化学系副教授Sandra J. Rosenthal领导的研究室日前发现，在超小粒径条件下，CdSe（硒化镉）量子点（半导体微粒）能够发出具有广谱特性的白色磷光（PL）。过去，CdSe量子点一直作为“荧光纳米粒子”而被业界所熟悉。

    这是在《美国化学学会杂志（Journal of American Chemical Society）》网络版2005年10月18日刊载的《White-Light Emission from Magic-Sized Cadmium Selenide Nanocrystals》论文中公布的。该论文称，“制作白色LED时，（纳米荧光粒子）比过去的荧光材料更容易进行色彩调整，而且还有望提高发光效率”。

预料之外的白色发光

    可发出白色磷光的是粒径约为1.5nm的CdSe粒子。此次，先将其与粘合剂材料聚亚安酯进行混合，制成薄膜。然后覆盖到波长约为400nm的市售LED上，再让LED进行发光。发光光谱范围很大，波长在420nm～710nm之间，为白色。在CIE（1931）色度图上的坐标为（x＝0.322，y＝0.365），属于“略微偏黄的白色”（该论文第一作者Michael J. Bowers II）。发光的量子效率目前为3%～5%。

    众所周知，如果照射紫外线，CdSe量子点会发出荧光。发光的中心波长可通过在数nm～数十nm之间改变粒径进行选择。而且由于发光光谱范围小，因此能够以各种颜色进行发光。利用这种性质，过去主要在医疗领域将其作为癌组织标记物等进行应用研究。根据过去的理论，原以为缩小粒径后，仍会发出荧光，且发光波长会缩短。

    此次的结果可以说推翻了这种“理论常识”。将粒径缩小到从未有过的约1.5nm以后，具有连续光谱的白色磷光发光而不是特定波长的荧光发光占据了支配地位。

（CdSe）34的“magic size（魔力粒径）”是关键

    对于上述现象发生的原因，该论文做出的稍具断定性的推论将重点放到了CdSe中Se（硒）的作用上。“作为CdSe来说，由紫外线激发的空穴和电子在Se表面发生再结合后，它就会发光，同时会以一定的概率发生‘空穴俘获（hole trapping）’。磷光发光现象只是在空穴暂时处于中间过渡状态时才会发生。当中间过渡状态的空穴与电子发生再结合时，就会发出磷光。导致这种现象的直接原因在于，随着粒径的不断缩小，粒子表面积相对于体积的比例急剧增大，从而就极有可能发生空穴俘获”（该论文）。

    这种特定尺寸的CdSe粒子，据介绍生产起来极为简单。“只要对含有Cd（镉）和Se的有机金属化合物进行烧结，就可自然形成。其所需时间，自达到目标温度后约为15秒”（Bowers）。之所以会由过去的单色发光变成白色，其原因在于“由于CdSe是在非常短的时间内生成的，因此粒子表面会保留大量（缺少原子）的缺陷，从而就会导致中间过渡状态参差不齐”（该论文）。

    尽管论文中没有直接提及，但在其他研究中已经知道这种尺寸的CdSe粒子是一种由33个或34个CdSe原子对组成的特殊粒子。因为这种数量的CdSe，和称为富勒烯的C60一样形成了足球状。据悉这种特殊的形状有可能与此次的白色磷光发光有关联。

“Cd已经完全进入电池领域……”

    需要注意的问题是，业界已经有人指出高浓度的CdSe具有致癌性。假如它被用到几乎所有的白色LED中，就极有可能进入人们的日常生活。笔者就此咨询了论文作者Bowers。他回答说：“确实有这种担心。不过，NiCd电池已经得到普遍使用。只要采取适当的回收措施，就可能不会产生严重的问题。”