量子點技術(shù)核心技能 - 一文解析量子點技術(shù)的發(fā)光原理

量子點技術(shù)核心技能

光的原理大抵包含電致發(fā)光（Electroluminescence，EL）、光致發(fā)光（Photoluminescence，PL）和化學發(fā)光（生物發(fā)光和燃燒發(fā)光可歸類在此），而如今被普遍使用，能產(chǎn)生高亮度、并且有效節(jié)能的方式，正是電致發(fā)光，早在愛迪生發(fā)明電燈時，就已打開電致發(fā)光的大門，光源之旅一路從始祖鎢絲燈，一路走到今日的LED固態(tài)照明。

而LED、OLED和量子點，都同屬于電致發(fā)光中的固態(tài)場效發(fā)光，電子從激發(fā)態(tài)（Excited State）以輻射的方式回到基態(tài)（Ground State），當材料是直接能隙半導體時，這個輻射就會以光的形式呈現(xiàn)，對無機物LED和量子點來說，激發(fā)態(tài)的能量位置稱之為傳導帶（Conduction Band，CB），基態(tài)的位置稱之為價帶（Valence Band，VB），而對有機物OLED而言，只要把CB和VB換成LUMO和HOMO就好了，道理大抵都是相通的。

激發(fā)態(tài)的能量較高，回到基態(tài)時是釋放能量的，對可發(fā)光的半導體材料來說，光就是這股被釋放的能量，激發(fā)態(tài)與基態(tài)間關(guān)鍵的能量差就叫做能隙（Energy Gap），能隙決定了光的能量，進而決定了光的頻率與波長，總結(jié)的說，材料的能隙就定義了光的色彩，是解開光譜奧秘的鑰匙，不同的發(fā)光材料（直接能隙半導體），理論上對應了不同的能隙。

于是在固態(tài)發(fā)光的旅程中，科學家絞盡腦汁尋找各種波長對應的理想材料，輔以摻雜（doping）的技術(shù)實現(xiàn)各種顏色的光，商業(yè)化的過程還得考慮到效率、晶格匹配、熱膨脹匹配等種種考量，背后蘊含了龐大的知識與技術(shù)，固態(tài)照明能有今天的成果，得要感謝科學家們的努力，替照明世界找齊那一塊一塊的拼圖，無怪乎1993年中村叔叔搞出高亮度藍光，補足RGB三缺一的詛咒時，全世界都流眼淚了！這個被譽為“二十世紀不可能的任務(wù)”的里程碑，一來意味著二極體白光的誕生，固態(tài)照明的路從此打開，二來意味著實現(xiàn)全色彩（Full Color）的原料齊備，LED可以拿去做顯示了！一個藍光的突破，讓LED一口氣打開通往兩個巨大市場的門，中村于是當之無愧的成了諾貝爾獎得主。

該說說量子點了。

對于一維二維三維的納米材料我們這里不討論，我們只需看塊材（Bulk Material）和量子點（Quantum Dot）就好，一般在半導體的領(lǐng)域，我們使用的材料是塊材，塊材由許多原子透過共價鍵合體，原子與原子間的復雜作用力，讓不連續(xù)的能階形成接近連續(xù)的能帶，也就是我們所說的導帶和價帶，導帶與價帶間有固定的能量差，于是塊材的能隙就這么決定了。但當我們把塊材持續(xù)的縮小到奈米尺度，且小于其波爾半徑時，量子局限效應（Quantum Confinement）出現(xiàn)了，原本固定的能階會開始往外擴，當尺寸持續(xù)縮小時，發(fā)光波長會開始藍移（能量變強，光的波長變短）

這個因為量子局限效應出現(xiàn)的能階改變，就是量子點進入顯示舞臺的核心，只要選一個能隙小的材料，透過尺寸控制就能發(fā)出所有可見光，對，所有，什么晶格匹配什么摻雜的功夫都可以洗洗睡了。

量子點最夢幻的事，就是“一種材料，各種波長”，這個光可調(diào)的技能，可以用固定的材料去實現(xiàn)多種波長，色彩還又準又pure，這真的很過分，徹底玩弄了半導體能隙與波長一對一的常理。于是，如LED和OLED那般尋找波長拼圖的做法成了歷史，量子點的世界只需要一把鑰匙－－－“化合物的選擇”，說起來簡單，但這個化合物不僅要能在藍移時涵蓋所有可見光、要有最小的半高寬、理想的轉(zhuǎn)換效率，還要不含毒素跟好合成…，這些條件列出來確實科學家也哭著想回家了，但…這是奈米材料??！奈米材料是材料科學的未來?。≡趺茨芨唵握瓷线吥?？困難是理所當然的，反正找到了就是一百，找不到就是零，量子點材料選好了以后，再也不需要擔心的就是色域，更遑論去思考白光缺少哪個要素這種別腳的問題。

從應用端的延展性來看，量子點同時具備了發(fā)散跟收斂的能力，不只能用一把鑰匙打開所有波長的門，實現(xiàn)精準的色彩、完美的色域；在光致發(fā)光的應用時，還可以讓不同門通往同一個房間－－－只要來源光都在可激發(fā)的范圍，量子點能把不同波長的光轉(zhuǎn)換成單一波長，實現(xiàn)光一致性的“整光”效果，這對顯示來說是個振奮人心的特質(zhì)，解決了單一Wafer晶片波長范圍難以微縮的難題，于是這個能“一轉(zhuǎn)多”又能“多轉(zhuǎn)一”的神奇材料，也成了小間距顯示屏與Micro LED熱切觀望，期許能解決自身技術(shù)限制的秘密武器。

量子點跟LED和OLED的關(guān)鍵差別，就是（1）擁有控制波長的完美特質(zhì)，以及（2）目前唯一能在光致發(fā)光和電致發(fā)光都有所作為的材料，這兩點大大的打開量子點的應用彈性與想像空間。

量子點的尺寸非常小，已經(jīng)很難用Top－Down的方法制造，目前的制備方法都是Bottom－up，也就是用三口瓶像煮火鍋一樣煮出來的，過去為了提高量子點的發(fā)光效率，采用了Core－Shell結(jié)構(gòu)（下圖左），用能隙更寬的材料保護中央的發(fā)光中心，以CdSe／CdS結(jié)構(gòu)來說，CdSe是發(fā)光中心，CdS是保護外殼，這種作法持續(xù)很久，量子點的發(fā)光波長跟尺寸大小在這個時期都是直接相關(guān)的，普遍來說2nm～10nm的大小的量子點，可以對應藍光到紅光的所有可見光，越大顆波長就越長，反之亦然。后來稱作合金（Alloy）量子點的作法出現(xiàn)了（下圖右），透過混合兩種材料的做法來控制光的波長，量子點大小不再是判斷色彩的指標，合金的做法可以讓同樣尺寸的量子點，發(fā)出不同波長的光，漸漸地成為今日量子點的主流。

最理想的發(fā)光材料目前還是硒化鎘（CdSe），但硒化鎘含鎘，導致其始終背負著ROHS的包袱，一直在豁免的期限上與歐盟拉扯，行銷上也成為被替代技術(shù)痛擊的弱點，再說了，只要被貼上含毒的標簽，消費者就很容易從懷疑轉(zhuǎn)成恐慌（消費者是非理性的），更別說未來回收還要面臨各種限制。于是，“含鎘”成了量子點商業(yè)化的詛咒，為了甩開這個詛咒，量子點只能努力地朝向非鎘與低鎘材料前進。