量子点应用技术专利导航

【摘  要】量子点是重要的光电转换材料，在电力照明、激光器、显示器件、LED等领域具有广泛的应用前景。本综述通过大数据筛选、深度标引的方式，分析了专利申请人关注的量子点应用领域。在此基础上，进一步分析器件领域专利申请态势。

【关键词】量子点;专利;器件;应用

一、前言

量子点一般是粒径在1-10nm的纳米材料，其与纳米团簇和体材料的维度结构不同，在三维空间中可以看做一个点，在结构上与传统的纳米材料相比转变较大，展现出优异的光学电学性能。量子点通常是由几百到几千个粒子组成的无机半导体材料。

从组成上说，目前主要分为Ⅱ-Ⅵ族化合物、Ⅲ-Ⅴ族化合物和单质量子点。Ⅱ-Ⅵ族化合物中以Zn和Cd的氧化物、硫化物和硒化物为主，Ⅲ-Ⅴ族化合物中以InP、GaAs为代表。单质量子点通常为Au、Se和Te量子点。从结构上看，量子点分为核壳结构和非核壳结构的。构造核壳结构既可以增强量子点的荧光效率和荧光稳定性，同时又可以有效地改善量子点的应用领域。从应用上分，量子点主要的应用领域为光电器件、生物标记、物质检测。本文所述量子点为半导体量子点。

量子点表现出独特的光学性能、电学性能，如可调节的发射波长，窄的发射光谱，高的荧光强度。荧光量子產率、颜色纯度、稳定性等都是表明荧光性质的重要参数。

量子点在电力照明、激光器、显示器件、LED等领域具有广泛的应用前景。本综述从半导体量子点的制备和改性出发，通过大数据筛选、深度标引的方式，重点分析了专利申请人关注的量子点应用领域。在此基础上，进一步细分器件领域专利申请态势。

二、数据加工和分析方法

本文在分析现有量子点技术的基础上，选择半导体量子点有关的国际专利分类号C09K11/58、C09K11/54、C09K11/56、C09K11/62限定量子点的组成，并通过在摘要字段选用关键词quantum dots、选用PATENTICS检索工具，在中外文专利数据库进行检索获得待加工专利文献范围。

本文重点关注量子点的制备过程中的应用技术，因此，对文件的深度加工采用关键词标引的方式进行，一级标引关键词为指纹、油墨、防伪等属于不同的应用场景，二级标引关键词为具体器件的类型如LED、电致发光器件、量子点激光器、显示器件。

三、结果与分析

图1a为半导体量子点技术专利在全球的申请趋势图。从图中看出，申请量逐渐增加，量子点专利的申请经历了四个阶段周期，第一阶段为2003年以前，全球申请量较少;第二阶段2004-2009年，量子点制备技术快速发展阶段;第三阶段2010-2013年，量子点制备技术稳步增加发展阶段;第四阶段2014-2017年，量子点的制备技术多元化和应用多元化快速发展;2018年申请量快速增加，目前量子点技术有望进入第五个发展阶段。

从图1b可以看出，量子点技术专利申请重点为量子点的制备和改性，稳定地制备具有高效率、适合不同用途的量子点是后续应用量子点的基础，属于量子点技术的基础专利布局。在具体应用上，光电器件，包括光致发光器件和光电转换器件是目前量子点产业化应用的最大方向，生物医疗及分析检测领域相对较少，但是也是未来量子点应用的最大场景。值得注意的是，近些年，量子点的应用范围逐渐扩展到防伪、油墨、催化制氢、催化降解、指纹识别、3D打印、农用转光、纺织服装等领域，有助于走向绿色化学、防伪安全、农业、生活更广的应用。

图1c为量子点器件分布情况，专利分布的重点在于LED及照明，其占55%，其中LED及照明均是利用量子点的光致发光特点，将不同波长的光转换成特定波长的光，或者混合成白色光;显示器件及电致发光器件占37%;其均是利用电致激发原理，即分别从QLED器件的阳极和阴极通电注入空穴和电子，空穴和电子通过QLED器件中相应功能层的传输在量子点发光层复合后，通过辐射跃迁的方式发射光子即实现发光。光伏器件则是利用量子点的波长转换提高光电效率，少量的研究为量子点的激光器，例如闪烁装置。

QLED器件结构图为阴极、电子传输层、量子点层、空穴传输层、空穴注入层、柔性ITO导电层。从QLED器件的阳极和阴极通电注入空穴和电子，空穴和电子通过QLED器件中相应功能层的传输在量子点发光层复合后，通过辐射跃迁的方式发射光子即实现发光。从以上过程可以看出，量子点自身的发光性能例如发光效率只是影响上述过程中辐射跃迁的效率，而QLED器件的整体发光效率还会同时受到上述过程中空穴和电子在量子点材料中的电荷注入和传输效率、空穴和电子在量子点材料中的相对电荷平衡、空穴和电子在量子点材料中的复合区域等的影响（CN107083238）。

从图1d可以看出，中国在催化制氢/催化降解、3D打印、农业转光、纺织等领域填补了量子点应用的空白;各国将量子点的基础应用一致定位于光电器件领域，中国拥有绝对优势的专利数量。

四、结论

本文通过对量子点专利的逐年申请量分析了量子点技术发展的四个周期阶段;通过制备和改性、光电器件、生物医疗与分析、催化防伪等细分领域对比分析了量子点可能具有的所有应用领域，获得了目前重点发展的领域为器件领域，有待开发的领域为纺织服装、农业、指纹等领域。通过对光电器件的进一步分析，发现量子点主要的应用于LED和显示器件。

作者简介：

张亚平（1988-）硕士，现工作于国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，助理研究员，主要研究方向是发光材料专利审查。

（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心）