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一文搞懂量子点技术核心技能数字接收机

文章来源:朗荣五金网  |  2022-09-20

一文搞懂量子点技术核心技能

发光的原理大抵包含电致发光(Electroluminescence,EL)、光致发光(Photoluminescence,PL)和化学发光(生物发光和燃烧发光可归类在此),而如今被普遍使用,能产生高亮度、并且有效节能的方式,正是电致发光,早在爱迪生发明电灯时,就已打开电致发光的大门,光源之旅一路从始祖钨丝灯,一路走到今日的LED固态照明。  而LED、OLED和量子点,都同属于电致发光中的固态场效发光,电子从激发态(Excited State)以辐射的方式回到基态(Ground State),当材料是直接能隙半导体时,这个辐射就会以光的形式呈现,对无机物LED和量子点来说,激发态的能量位置称之为传导带(Conduction Band,CB),基态的位置称之为价带(Valence Band,VB),而对有机物OLED而言,只要把CB和VB换成LUMO和HOMO就好了,道理大抵都是相通的。  激发态的能量较高,回到基态时是释放能量的,对可发光的半导体材料来说,光就是这股被释放的能量,激发态与基态间关键的能量差就叫做能隙(Energy Gap),能隙决定了光的能量,进而决定了光的频率与波长,总结的说,材料的能隙就定义了光的色彩,是解开光谱奥秘的钥匙,不同的发光材料(直接能隙半导体),理论上对应了不同的能隙。  于是在固态发光的旅程中,科学家绞尽脑汁寻找各种波长对应的理想材料,辅以掺杂(doping)的技术实现各种颜色的光,商业化的过程还得考虑到效率、晶格匹配、热膨胀匹配等种种考量,背后蕴含了庞大的知识与技术,固态照明能有今天的成果,得要感谢科学家们的努力,替照明世界找齐那一块一块的拼图,无怪乎1993年中村叔叔搞出高亮度蓝光,补足RGB三缺一的诅咒时,全世界都流眼泪了!这个被誉为“二十世纪不可能的任务”的里程碑,一来意味着二极体白光的诞生,固态照明的路从此打开,二来意味着实现全色彩(Full Color)的原料齐备,LED可以拿去做显示了!一个蓝光的突破,让LED一口气打开通往两个巨大市场的门,中村于是当之无愧的成了诺贝尔奖得主。  该说说量子点了。  对于一维二维三维的纳米材料我们这里不讨论,我们只需看块材(Bulk Material)和量子点(Quantum Dot)就好,一般在半导体的领域,我们使用的材料是块材,块材由许多原子透过共价键合体,原子与原子间的复杂作用力,让不连续的能阶形成接近连续的能带,也就是我们所说的导带和价带,导带与价带间有固定的能量差,于是块材的能隙就这么决定了。但当我们把块材持续的缩小到奈米尺度,且小于其波尔半径时,量子局限效应(Quantum Confinement)出现了,原本固定的能阶会开始往外扩,当尺寸持续缩小时,发光波长会开始蓝移(能量变强,光的波长变短)  这个因为量子局限效应出现的能阶改变,就是量子点进入显示舞台的核心,只要选一个能隙小的材料,透过尺寸控制就能发出所有可见光,对,所有,什么晶格匹配什么掺杂的功夫都可以洗洗睡了。  量子点最梦幻的事,就是“一种材料,各种波长”,这个光可调的技能,可以用固定的材料去实现多种波长,色彩还又准又pure,这真的很过分,彻底玩弄了半导体能隙与波长一对一的常理。于是,如LED和OLED那般寻找波长拼图的做法成了历史,量子点的世界只需要一把钥匙---“化合物的选择”,说起来简单,但这个化合物不仅要能在蓝移时涵盖所有可见光、要有最小的半高宽、理想的转换效率,还要不含毒素跟好合成...,这些条件列出来确实科学家也哭着想回家了,但...这是奈米材料啊!奈米材料是材料科学的未来啊!怎么能跟简单沾上边呢?困难是理所当然的,反正找到了就是一百,找不到就是零,量子点材料选好了以后,再也不需要担心的就是色域,更遑论去思考白光缺少哪个要素这种别脚的问题。  从应用端的延展性来看,量子点同时具备了发散跟收敛的能力,不只能用一把钥匙打开所有波长的门,实现精准的色彩、完美的色域;在光致发光的应用时,还可以让不同门通往同一个房间---只要来源光都在可激发的范围,量子点能把不同波长的光转换成单一波长,实现光一致性的“整光”效果,这对显示来说是个振奋人心的特质,解决了单一Wafer晶片波长范围难以微缩的难题,于是这个能“一转多”又能“多转一”的神奇材料,也成了小间距显示屏与Micro LED热切观望,期许能解决自身技术限制的秘密武器。  量子点跟LED和OLED的关键差别,就是(1)拥有控制波长的完美特质,以及(2)目前唯一能在光致发光和电致发光都有所作为的材料,这两点大大的打开量子点的应用弹性与想像空间。  量子点的尺寸非常小,已经很难用Top-Down的方法制造,目前的制备方法都是Bottom-up,也就是用三口瓶像煮火锅一样煮出来的,过去为了提高量子点的发光效率,采用了Core-Shell结构(下图左),用能隙更宽的材料保护中央的发光中心,以CdSe/CdS结构来说,CdSe是发光中心,CdS是保护外壳,这种作法持续很久,量子点的发光波长跟尺寸大小在这个时期都是直接相关的,普遍来说2nm~10nm的大小的量子点,可以对应蓝光到红光的所有可见光,越大颗波长就越长,反之亦然。后来称作合金(Alloy)量子点的作法出现了(下图右),透过混合两种材料的做法来控制光的波长,量子点大小不再是判断色彩的指标,合金的做法可以让同样尺寸的量子点,发出不同波长的光,渐渐地成为今日量子点的主流。  最理想的发光材料目前还是硒化镉(CdSe),但硒化镉含镉,导致其始终背负着ROHS的包袱,一直在豁免的期限上与欧盟拉扯,行销上也成为被替代技术痛击的弱点,再说了,只要被贴上含毒的标签,消费者就很容易从怀疑转成恐慌(消费者是非理性的),更别说未来回收还要面临各种限制。于是,“含镉”成了量子点商业化的诅咒,为了甩开这个诅咒,量子点只能努力地朝向非镉与低镉材料前进。  故事先到这边告一段落,对量子点来说,(1)寻找对的商业产品,跟(2)解决镉的疑虑,是接下来最重要的课题,这篇主要着眼于量子点的原理与存在价值,由于时候不早了,下次再让我们进入量子点的商业发展之路。  来源:FlappyBird

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