量子點(diǎn)技術(shù)核心技能詳細(xì)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(diǎn)，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(dāng)材料是直接能隙半導(dǎo)體時，這個輻射就會以光的形式呈現(xiàn)，對無機(jī)物L(fēng)ED和量子點(diǎn)來說，激發(fā)態(tài)的能量位置稱之為傳導(dǎo)帶(Conduction Band，CB)，基態(tài)的位置稱之為價帶(Valence Band，VB)，而對有機(jī)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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)體)，理論上對應(yīng)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對應(yīng)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(yùn)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，無怪乎1993年中村叔叔搞出高亮度藍(lán)光，補(bǔ)足RGB三缺一的詛咒時，全世界都流眼淚了!這個被譽(yù)為“二十世紀(jì)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(lán)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(dāng)之無愧的成了諾貝爾獎得主。

該說說量子點(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(dǎo)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(fù)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(dǎo)帶和價帶，導(dǎo)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(dāng)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(yīng)(Quantum Confinement)出現(xiàn)了，原本固定的能階會開始往外擴(kuò)，當(dāng)尺寸持續(xù)縮小時，發(fā)光波長會開始藍(lán)移(能量變強(qiáng)，光的波長變短)

這個因為量子局限效應(yīng)出現(xiàn)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(diǎn)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(zhǔn)又pure，這真的很過分，徹底玩弄了半導(dǎo)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(diǎn)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(lán)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(xué)家也哭著想回家了，但…這是奈米材料啊!奈米材料是材料科學(xué)的未來啊!怎么能跟簡單沾上邊呢?困難是理所當(dāng)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(dān)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(yīng)用端的延展性來看，量子點(diǎn)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(zhǔn)的色彩、完美的色域;在光致發(fā)光的應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)大大的打開量子點(diǎn)的應(yīng)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的，過去為了提高量子點(diǎn)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(hù)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(hù)外殼，這種作法持續(xù)很久，量子點(diǎn)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(diǎn)，可以對應(yīng)藍(lán)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(diǎn)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(diǎn)大小不再是判斷色彩的指標(biāo)，合金的做法可以讓同樣尺寸的量子點(diǎn)，發(fā)出不同波長的光，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(dǎo)致其始終背負(fù)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(diǎn)，再說了，只要被貼上含毒的標(biāo)簽，消費(fèi)者就很容易從懷疑轉(zhuǎn)成恐慌(消費(fèi)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(diǎn)商業(yè)化的詛咒，為了甩開這個詛咒，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)來說，(1)尋找對的商業(yè)產(chǎn)品，跟(2)解決鎘的疑慮，是接下來最重要的課題，這篇主要著眼于量子點(diǎn)的原理與存在價值，由于時候不早了，下次再讓我們進(jìn)入量子點(diǎn)的商業(yè)發(fā)展之路。