量子點(diǎn)技術(shù)核心技能詳細介紹

發(fā)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(xué)發(fā)光(生物發(fā)光和燃燒發(fā)光可歸類(lèi)在此)，而如今被普遍使用，能產(chǎn)生高亮度、并且有效節能的方式，正是電致發(fā)光，早在愛(ài)迪生發(fā)明電燈時(shí)，就已打開(kāi)電致發(fā)光的大門(mén)，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(diǎn)，都同屬于電致發(fā)光中的固態(tài)場(chǎng)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(shí)，這個(gè)輻射就會(huì )以光的形式呈現，對無(wú)機物L(fēng)ED和量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，激發(fā)態(tài)的能量位置稱(chēng)之為傳導帶(Conduction Band，CB)，基態(tài)的位置稱(chēng)之為價(jià)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(shí)是釋放能量的，對可發(fā)光的半導體材料來(lái)說(shuō)，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(jìn)而決定了光的頻率與波長(cháng)，總結的說(shuō)，材料的能隙就定義了光的色彩，是解開(kāi)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(xué)家絞盡腦汁尋找各種波長(cháng)對應的理想材料，輔以摻雜(doping)的技術(shù)實(shí)現各種顏色的光，商業(yè)化的過(guò)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(xué)家們的努力，替照明世界找齊那一塊一塊的拼圖，無(wú)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(shí)，全世界都流眼淚了!這個(gè)被譽(yù)為“二十世紀不可能的任務(wù)”的里程碑，一來(lái)意味著(zhù)二極體白光的誕生，固態(tài)照明的路從此打開(kāi)，二來(lái)意味著(zhù)實(shí)現全色彩(Full Color)的原料齊備，LED可以拿去做顯示了!一個(gè)藍光的突破，讓LED一口氣打開(kāi)通往兩個(gè)巨大市場(chǎng)的門(mén)，中村于是當之無(wú)愧的成了諾貝爾獎得主。

該說(shuō)說(shuō)量子點(diǎn)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(diǎn)(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(guò)共價(jià)鍵合體，原子與原子間的復雜作用力，讓不連續的能階形成接近連續的能帶，也就是我們所說(shuō)的導帶和價(jià)帶，導帶與價(jià)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的縮小到奈米尺度，且小于其波爾半徑時(shí)，量子局限效應(Quantum Confinement)出現了，原本固定的能階會(huì )開(kāi)始往外擴，當尺寸持續縮小時(shí)，發(fā)光波長(cháng)會(huì )開(kāi)始藍移(能量變強，光的波長(cháng)變短)

這個(gè)因為量子局限效應出現的能階改變，就是量子點(diǎn)進(jìn)入顯示舞臺的核心，只要選一個(gè)能隙小的材料，透過(guò)尺寸控制就能發(fā)出所有可見(jiàn)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(diǎn)最夢(mèng)幻的事，就是“一種材料，各種波長(cháng)”，這個(gè)光可調的技能，可以用固定的材料去實(shí)現多種波長(cháng)，色彩還又準又pure，這真的很過(guò)分，徹底玩弄了半導體能隙與波長(cháng)一對一的常理。于是，如LED和OLED那般尋找波長(cháng)拼圖的做法成了歷史，量子點(diǎn)的世界只需要一把鑰匙---“化合物的選擇”，說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，但這個(gè)化合物不僅要能在藍移時(shí)涵蓋所有可見(jiàn)光、要有最小的半高寬、理想的轉換效率，還要不含毒素跟好合成…，這些條件列出來(lái)確實(shí)科學(xué)家也哭著(zhù)想回家了，但…這是奈米材料啊!奈米材料是材料科學(xué)的未來(lái)啊!怎么能跟簡(jiǎn)單沾上邊呢?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(diǎn)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(gè)要素這種別腳的問(wèn)題。

從應用端的延展性來(lái)看，量子點(diǎn)同時(shí)具備了發(fā)散跟收斂的能力，不只能用一把鑰匙打開(kāi)所有波長(cháng)的門(mén)，實(shí)現精準的色彩、完美的色域;在光致發(fā)光的應用時(shí)，還可以讓不同門(mén)通往同一個(gè)房間---只要來(lái)源光都在可激發(fā)的范圍，量子點(diǎn)能把不同波長(cháng)的光轉換成單一波長(cháng)，實(shí)現光一致性的“整光”效果，這對顯示來(lái)說(shuō)是個(gè)振奮人心的特質(zhì)，解決了單一Wafer晶片波長(cháng)范圍難以微縮的難題，于是這個(gè)能“一轉多”又能“多轉一”的神奇材料，也成了小間距顯示屏與Micro LED熱切觀(guān)望，期許能解決自身技術(shù)限制的秘密武器。

量子點(diǎn)跟LED和OLED的關(guān)鍵差別，就是(1)擁有控制波長(cháng)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(diǎn)大大的打開(kāi)量子點(diǎn)的應用彈性與想像空間。

量子點(diǎn)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(lái)的，過(guò)去為了提高量子點(diǎn)的發(fā)光效率，采用了Core-Shell結構(下圖左)，用能隙更寬的材料保護中央的發(fā)光中心，以CdSe/CdS結構來(lái)說(shuō)，CdSe是發(fā)光中心，CdS是保護外殼，這種作法持續很久，量子點(diǎn)的發(fā)光波長(cháng)跟尺寸大小在這個(gè)時(shí)期都是直接相關(guān)的，普遍來(lái)說(shuō)2nm～10nm的大小的量子點(diǎn)，可以對應藍光到紅光的所有可見(jiàn)光，越大顆波長(cháng)就越長(cháng)，反之亦然。后來(lái)稱(chēng)作合金(Alloy)量子點(diǎn)的作法出現了(下圖右)，透過(guò)混合兩種材料的做法來(lái)控制光的波長(cháng)，量子點(diǎn)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(diǎn)，發(fā)出不同波長(cháng)的光，漸漸地成為今日量子點(diǎn)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(zhù)ROHS的包袱，一直在豁免的期限上與歐盟拉扯，行銷(xiāo)上也成為被替代技術(shù)痛擊的弱點(diǎn)，再說(shuō)了，只要被貼上含毒的標簽，消費者就很容易從懷疑轉成恐慌(消費者是非理性的)，更別說(shuō)未來(lái)回收還要面臨各種限制。于是，“含鎘”成了量子點(diǎn)商業(yè)化的詛咒，為了甩開(kāi)這個(gè)詛咒，量子點(diǎn)只能努力地朝向非鎘與低鎘材料前進(jìn)。

故事先到這邊告一段落，對量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，(1)尋找對的商業(yè)產(chǎn)品，跟(2)解決鎘的疑慮，是接下來(lái)最重要的課題，這篇主要著(zhù)眼于量子點(diǎn)的原理與存在價(jià)值，由于時(shí)候不早了，下次再讓我們進(jìn)入量子點(diǎn)的商業(yè)發(fā)展之路。