科普-量子点及相关企业介绍

主要观点：

什么是量子点

量子点(Quantum dots，QDs)又称为半导体纳米晶体，是由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料(通常由IIB～ⅥA或IIIA～VA元素组成)制成的、稳定直径在2～20 nm的纳米粒子。量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体，既可由一种半导体材料组成，如由IIB．VIA族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIA．VA族元素(如InP、InAs等)组成，也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。作为一种新颖的半导体纳米材料，量子点具有许多独特的纳米性质。

性能优异，应用广泛

量子点特殊的小尺寸结构，使准连续的能带演变为类似于分子的分立能级结构，导致其具有许多块体材料和分子级别材料所不具备的特殊小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、电子限域效应和独特的表面效应等性质。量子点还具有很好的光稳定性、宽的激发谱和窄的发射普、较大的斯托克斯位移、良好的生物相容性、荧光寿命长。此外量子点最大的特点是可通过改变其尺寸大小和化学组成变更其发射光波长。量子点特殊的物理化学性能使其在生命科学、质量检测、光电子、太阳能电池及环境科学等领域拥有应用的广泛。

显示市场空间巨大

2014年量子点市场规模约为9.6亿美元，2015年则达到12.5亿美元，预计到2020全球的市场规模将达到47.3亿美元，年复合增长率高达30.4%，从下游市场来看，显示领域占据了量子点市场的最大份额。目前量子点在显示领域的应用主要分为QLED和QLCD，其中QLED 技术是基于量子点电致发光特性的一种新型LED 制备技术，而QLCD则是基于量子点的背光源技术，其本质是通过量子点技术对LCD进行改良。在下游产品中，量子点电视是其主要的应用领域， 2015约占到总市场规模的94.8%，2020 年预计约为87.2%，达到4.16亿美元，而中国也将成为全球最大的量子点电视消费区域。

相关公司介绍

目前全球有几十家公司在进行量子点领域的研究和生产工作，其中最大的三家龙头企业为德国Nanosys公司、美国QD Vision公司和英国的Nanoco公司，这三家公司基本瓜分了全球的量子点市场。国内唯一一家具备量子点生产和研发的企业是新三板上市公司纳晶科技（830933），公司目前的主要产品包括半导体材料、显示产品、照明产品和生物产品四大类。其中半导体材料和照明产品已经量产，显示产品和生物产品已试制成功，尚未规模化推广。2016年公司和TCL签订价值1750万美元的量子点膜片供货商协议，拉开公司发展新篇章。

1、特殊的发光材料

1.1 量子点简介

量子点(Quantum dots，QDs)又称为半导体纳米晶体，量子点是由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料(通常由IIB～ⅥA或IIIA～VA元素组成)制成的、稳定直径在2～20 nm的纳米粒子。量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体，既可由一种半导体材料组成，如由IIB．VIA族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIA．VA族元素(如InP、InAs等)组成，也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。作为一种新颖的半导体纳米材料，量子点具有许多独特的纳米性质。

现代量子点技术要追溯到上世纪70年代中期，它是为了解决全球能源危机而发展起来的。通过光电化学研究，开发出半导体与液体之间的结合面，以利用纳米晶体颗粒优良的体表面积比来产生能量。初期研究始于上世体80年代早期2个实验室的科学家:贝尔实验室的LouisBrus博士和前苏联Yoffe研究所的AlexanderEfros和Victor.I.Klimov博士。Brus博士与同事发现不同大小的硫化镉颗粒可产生不同的颜色。这个工作对了解量子限域效应很有帮助，该效应解释了量子点大小和颜色之间的相互关系，也同时也为量子点的应用铺平了道路。1997年以来，随着量子点制备技术的不断提高，量子点己越来越可能应用于生物学研究。1998年，Alivisatos和Nie两个研究小组分别在Science上发表有关量子点作为生物探针的论文，首次将量子点作为生物荧光标记，并且应用于活细胞体系，他们解决了如何将量子点溶于水溶液，以及量子点如何通过表面的活性基团与生物大分子偶联的问题，由此掀起了量子点的研究热潮。

目前量子点已经在显示、半导体、生物等领域实现了较为成熟的商用应用，商业化进程稳步推进。

1.2 独特结构赋予优异的物理化学性能

QDs是一种由几个原子组成的准零维纳米结构，封闭电子而形成的极小颗粒，半径小于或接近于体材料的激子玻尔半径的半导体纳米晶体，介于1nm～100nm之间。由Ⅱ－Ⅵ或Ⅲ－Ⅴ族元素组成的无机荧光纳米粒子，具有类似体相晶体的规整原子排列，一般含有大约200～10000个原子，比普通细胞的体积小数千倍，由有限数目的原子组成的一种三维团簇，其三个维度尺寸均在纳米量级，介于分子和晶体之间的过渡态。由于QDs连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光，限制电子和空穴运动，增加动能、调节能隙，改变其化学性质和物理性质。

QDs 的小尺寸结构，使准连续的能带演变为类似于分子的分立能级结构，导致其具有许多块体材料和分子级别材料所不具备的特殊小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、电子限域效应和独特的表面效应等性质，可反复激发而引起荧光共振能量转移效应，调谐材料的光学和电学等性质，从而具有一系列新异光电性能。

量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制，通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以CdTe量子为例，当它的粒径从2.5nm生长到4.0nm时，它们的发射波长可以才能够510nm红移到660nm。

量子点还具有很好的光稳定性、宽的激发谱和窄的发射普、较大的斯托克斯位移、良好的生物相容性、荧光寿命长。总而言之，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色可调，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光探针。

量子点按其几何形状，可分为箱形量子点、球形量子点、四面体量子点、柱形量子点、立方量子点、盘形量子点和外场（电场和磁场）诱导量子点；按其电子与空穴的量子封闭作用，量子点可分为1型量子点和2型量子点；按其材料组成，量子点又可分为元素半导体量子点，化合物半导体量子点和异质结量子点。此外，原子及分子团簇、超微粒子和多孔硅等也都属于量子点范畴。

1.3 合成方法众多，下游应用宽广

量子点的合成方法包括外延技术（如MBE/MOVPE/LPE等）以及化学方法（如金属有机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法、微乳液法、溶胶-凝胶法、溶剂热法、共沉淀法等）。其中金属有机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法量子点晶体生长好，量子产率高。

量子点是纳米范围的微型发光粒子，具有特殊的光电性质、信号强度卓越及吸收光谱广泛等特性，在生命科学、质量检测、光电子、太阳能电池及环境科学等领域的应用广泛。

生命科学：量子点特殊的光电性质使其在分子生物学、细胞生物学、基因组学及蛋白质组学等研究中有极大的应用前景。制备的功能化量子点探针可清晰地区分肿瘤细胞，有望成为疾病诊断和治疗的有效材料。

产品质量检测：通过修饰量子点表面亲水性基团，相转移、紫外光照复合等过程，使量子点选择性地沉积在指纹纹线上，从而清晰地显现指纹图像，应用在分析产品质量、测定金属离子及药物的含量等方面，为质量安全控制体系做出了巨大贡献，具有成本低、稳定性好的特点。胡卫平等制备左氧氟沙星－CdS－BSA 成功用于左氧氟沙星片剂和胶囊的测定。

光电学元器件：量子点采用其光致发光性能，在GaN基LED中作为光转换层; 采用其电致发光性能，将其用于量子点发光，为其在光电器件LCD等的应用提供基础。Bourzac K制备的QD－LED具有工艺简单、成本低和发光性能优异的特性而得到广泛应用。 半导体QDs 表现出很强的尺寸效应和量子限域效应，使其具有增强的三阶非线性光学性能，在光信息存储及光通讯快速开关器件上显示出广泛的应用前景。

太阳能电池和光催化领域：Ⅰ－Ⅲ－Ⅵ族化合物多为直接窄带隙半导体材料，与太阳光谱匹配，且吸光系数大，是性能优异的太阳能电池光吸收层材料，提高光电转换效率，有望实现太阳能电池的低成本化。同时，目前已研究开发带隙窄、可被可见光有效激发的高活性光催化剂，用于分解水产氢研究，有效提高产氢速率而引起了人们广泛关注。

环境科学：利用不同物质包被的CdS量子点，开发不同离子和气体传感器广泛应用于检测环境有毒物质和内分泌干扰素的毒性，衡量环境污染物对人、动物和植物的影响，进行环境污染物定性定量分析方面研究，为环境监测提供新的方法和技术。

2、QLED有望打破现有显示格局

量子点凭借其优秀的物理化学性能，可广泛的应用于显示、照明、生命科学和医学、激光器、太阳能电池、复合材料等各个领域，从目前来看量子点已经在光学、光电子、太阳能领域取得了较好的应用，整个市场规模也在不断增长中。2014年量子点市场规模约为9.6亿美元，2015年则达到12.5亿美元，预计到2020全球的市场规模将达到47.3亿美元，年复合增长率高达30.4%。

从下游各领域的应用规模来看，以照明和显示为代表的光电子元器件领域和以激光为代表的光学领域市场规模增长最快，此外太阳能领域也有较大的成长空间。随着量子点技术的不断发展以及下游应用的持续开拓，预计2020年量子点照明和显示的全球总营收将超过5亿美元。

2.1 对比OLED性能更优

QLED（Quantum Dot LED）即量子点发光二极管显示器件，因为量子点的发射光谱可以通过量子点的尺寸大小和组成材料来控制，所以在QLED技术的液晶背光源中，选择蓝色LED发光器件，蓝色的LED光通过导光板形成平行的面蓝色光源，然后照射到涂覆有QLED物质的另一个薄膜上，不同种类和数量的QLED量子点物质将蓝色LED的光，按比例转化成红绿蓝三原色，并合成液晶需要的“高品质白色”背光源，QLED对蓝光LED光线到目标波长光线的转化率接近100%。

QLED材料层可以和液晶背光源模组、背光模组中的导光板、甚至液晶和TFT工艺层混合，方案选择较多。此外，引入QLED技术的产品，不论电致发光还是光致发光，都不会较大的改变现有工艺及流程体系，制造成本增长有限，同时在同样的亮度表现下，QLED屏的功耗仅为现有WLED背光技术的1/5-1/10。从目前的应用效果来看QLED在成本、显示效果、功耗上都显著优于OLED。

目前QLED在液晶显示应用上的封装技术主要有三种，第一种是“On-chip”方式，类似于LED封装方式，但稳定性有待提升；第二种是“On-edge”方式，类似于CCFL方式，在剥离管上涂覆量子点；第三种是“On-surface”方式，将薄膜之间夹有量子点的片状材料贴在导光板与液晶面板之间。此外还有直接器件电致发光，类似于OLED，但目前仍存在技术难题未解决。

2.2 量子点显示市场空间巨大

量子点在显示领域的应用主要分为QLED和QLCD，其中QLED 技术，是基于量子点电致发光特性的一种新型LED 制备技术。而QLCD则是基于量子点的背光源技术，其本质是通过量子点技术对LCD进行改良。目前市场上的量子点主要以QLCD为主，QLED的商业化空间潜力巨大根据IDTechExResearch 前瞻性预测，到2026年QLED的市场规模可以达到112亿美元，显示领域的市场规模为96亿美元，占比约85%。

由于QLED还处于市场导入期，目前市场上的主流产品仍然是QLCD。为了提高LCD电视市场的消费者价值，采用量子点技术的4K超高清增强型彩色液晶电视已经与2015年推出，预计全球出货量达到130万台。到2018年，全球量子点电视的出货量将增至1870万台。中国作为全球最大的消费提，国内的量子点电视出货量将出现快速的增长，预计2018年将超过500万台，成为全球量子点电视出货量最多的国家。

根据NPD Displaysearch估计，量子点平板电脑的渗透率将从2015年的2%增至2020年的15%；量子点电视2015年的渗透率小于1%，而到2020年有望增至9%，随着量子点平板电脑和量子点电视未来渗透率的急剧增长，大尺寸LCD用量子点材料在未来会出现较大的需求。此外在小尺寸领域，2015年智能手机出货量为11亿部，量子点智能手机的渗透率将达3%，预计到2020年渗透率将增至26%。

预计到2020年应用于电视、监控和平板、笔记本、智能手机的市场规模分别为41630万美元、2420万美元、1930万美元、400万美元、1350万美元，出货量分别为2450万台、320万台、470万台、80万台和740万台。量子点电视是量子点LCD 的主要应用领域，2015 约占到总市场规模的94.8%，2020 年预计约为87.2%，达到4.16亿美元。

3、相关上市公司介绍

目前全球有几十家公司在进行量子点领域的研究和生产工作，其中最大的三家龙头企业为德国Nanosys公司、美国QD Vision公司和英国的Nanoco公司，这三家公司基本瓜分了全球的量子点市场。

国内唯一一家具备量子点生产和研发的企业是新三板上市公司纳晶科技（830933）。纳晶科技股份有限公司成立于2009年8月，是一家以量子点半导体新材料（又称纳米晶）为技术核心的国家级高新技术企业，主要业务是量子点新材料的研究、制造及应用技术与产品的开发，在新型量子点材料的设计、合成及表面修饰居于全球领先地位。

公司有2名中国国家特聘专家，多名省级特聘专家，并由1名美国科学院院士和1名美国艺术与科学院院士担任科技发展战略顾问。

公司自上市以来，营业收入保持了快速增长，虽然在净利润方面依然是亏损的状态，但每年的亏损额呈下降趋势。公司持续亏损主要由于公司的量子点显示产品仍然处于市场导入期，形成有效的销售还需要一定的周期。

公司目前的主要产品包括半导体材料、显示产品、照明产品和生物产品四大类。其中半导体材料和照明产品已经量产，显示产品和生物产品已试制成功，尚未规模化推广。

2016年公司迎来发展的关键之年，公司签收TCL，签订量子点膜片供应合作协议，涉及金额超过1750万美元。TCL作为市场上率先推出量子点电视的生产厂商，和纳晶科技的订单合作将有助于公司的快速发展，公司未来业绩将获得支撑。