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量子點物理原理：理解量子點顯示技術的基礎指南

摘要

本白皮書旨在為深入了解量子點（QD）技術背后的科學原理及其在量子點顯示器中的前景應用奠定基礎。了解這些知識，您將能夠自信地跟隨技術發展的腳步，更加深入了解該行業，因為該行業正不斷取得新的突破并進一步提高了顯示器中的量子點利用率。

由于納米技術已經成為高端顯示器的重要基礎，我們在量子點的基礎上進行了進一步拓展，以了解量子點半導體粒子的關鍵特性及其工作基本原理。

量子點基本原理

什么是量子點？

量子點是直徑2-10nm（納米，10^-9）的微小半導體粒子。由于粒徑小，這些粒子具有獨特的光學和電學特性。例如，接觸光時，量子點晶體可以發出特定頻率的光。

量子點的大小和形狀可以通過調整反應時間和條件來精確控制，從而使納米技術在顯示器應用中具有可擴展性和實用性。

量子點如何工作？

讓我們更深入地了解一下量子物理學（不要被嚇倒），探索量子點（QD）發光的原因，以及其所發出光的波長（決定顏色）取決于粒徑的原因。

量子點中發光的過程被稱為光致發光（縮寫為PL），因為發光由光子激發產生。在光的影響下，光子被激發，“跳”至更高的能量帶。隨后進入弛豫過程，在此期間，光子可以非放射性地（“后退”）弛豫，進入到低能態或者重新復合并再發射。

能帶隙—是指價帶頂部和導帶底部之間的能級差異，其決定了發射光的波長。

量子點有何獨特之處？

在像硅那樣的常規半導體（也被稱為塊材）中，這些能帶由大量原子和分子的相鄰能級合并而形成。但由于粒徑達到納米級，原子和分子的數量大大減少，重疊能級的數量減少，導致帶寬增加。由于量子點非常微小，因此與塊材相比，它們在價帶和導帶之間的能隙更高。

因此，量子點的獨特特性可以用兩個納米級現象來解釋：量子局限效應和這些粒子電子態的離散性（量子化）。

量子局限效應

量子局限效應是指當能帶受到電子波范圍變化的影響時觀察到的粒子原子結構變化。由于波的范圍與粒徑相當，因此電子受到波長范圍的限制。因此，量子點的特性依賴于其大小，且它們的激發局限在三個空間維度中。

局限能量是量子點的關鍵特性，它解釋了量子點大小與其發射光頻率之間的關系。

QD的量子化（或離散）電子態

由于QD粒子粒徑小，量子局限效應將產生可觀察離散能級的較大能帶隙。量子點中的這種量子化能級導致位于單個分子（單一能帶隙）與大塊半導體（能帶內具有連續能級）之間的電子結構形成。

為什么量子物理學對顯示技術很重要？

首先讓我們把量子物理學與顯示器中的量子點聯系起來。

量子點的獨特特性—由其特別高的表面積-體積比所致—解釋了這些納米晶體能夠產生由粒徑決定的獨特顏色的原因。

隨著晶體粒徑減小，最高價帶與最低導帶之間的能量差增大。然后需要更多的能量來激發量子點，同時，當量子點返回到其原來的弛豫狀態時，將釋放更多的能量。

由于這種現象，如果量子點大小變化，量子點可以利用相同的材料發出任何顏色的光。此外，由于所制備納米晶體粒徑的高度可控性，可以在制造過程中調整量子點以發出期望的光的顏色。

這聽起來很棒，是嗎？然而，所有這些優勢卻也伴隨著量子點顯示器應用中特有的一系列挑戰。

QD應用中的挑戰有哪些？

光漂白

可擴展納米技術應用于顯示器的挑戰之一是量子點粒子的不可逆退化性，稱之為光漂白。由于在高頻、高溫或潮濕環境中暴露于光下，可能會發生光漂白。QD分子的腐蝕和氧化作為非輻射復合通道產生表面陷阱態。

由于光漂白，量子點分子永久失去發光能力。平均而言，不受保護的QD分子壽命將在1000秒以內（總計約17分鐘）。由于顯示技術使用背光源照明半導體粒子，量子點將需要持續暴露在較長波長的光源下。

光致發光（PL）閃爍

基于其大小可調光發射的QD在顯示中的應用還受到所謂的PL閃爍—納米晶體發射中的光致發光間歇現象的影響。這種閃爍現象由于一個或兩個激發的載流子逃逸到量子點晶體的表面產生。

俄歇復合

俄歇復合是在半導體中發生的類似俄歇效應。電子和電子空穴（電子-空穴對）可以重新復合，將其能量釋放給另一電子（導帶中），從而增加其能量。

俄歇復合發生在激發電子復合時而非發射光時，將能量轉移到附近的電子（或空穴），產生“熱”電子（空穴）。在QD中，將會將這些非輻射過程將降至最少，因為我們的目標是最大程度地發光。俄歇復合是一個損耗過程，大大降低量子點的效率。

讓量子點應用于顯示器

記住這些主要障礙，先讓我們來探討領先的面板制造商如何將這種技術包裝并應用于顯示器。

提高量子點強度

為實現穩定性和抗光化學反應，制造商通過采用核殼設計來加強QD結構。在該情況下，納米晶體由量子點半導體核材料制成，由半導體核殼和表面配體包裹，以降低半導體核的脆弱性。

核殼有助于有效消除表面態和限制電子空穴載流子，從而提高量子產率和穩定性。另外，核殼還可以防止受環境變化的影響并防止光氧化退化。

另一保護機制是利用功能配體的量子點表面改性，微調其理化特性和熒光發射行為。由于電子陷阱有效鈍化，配體不僅可以物理保護納米晶體免受周圍環境的影響，還可以提高光致發光量子產率，從而有助于防止俄歇復合效應。

減少PL閃爍和俄歇復合

這種改良量子點結構也有助于減少光致發光閃爍和俄歇復合。核殼提供了能量屏障，防止載流子逃逸到表面。由于核殼包裹著核，因此有效將其用于限制光生電荷并將其限制在核上。這可通過使用低晶格失配的核殼和核材料實現，以確保激發的載流子局限在較窄的能帶隙。

通過保持電荷中性，核殼幫助避免俄歇復合效應，抑制PL閃爍，從而改善光致發光現象。

現代量子點材料的進一步改善

為進一步降低俄歇復合效應，現代量子點材料在核與核殼之間還有另外一層—稱為中間核殼。中間層的引入減少了帶內躍遷，從而大大降低了俄歇復合效應。

可見的QD半導體

接下來，讓我們看看量子點顯示技術中使用的實現期望的可見光致發光的材料。

由于其化學組成和特性，不同材料可以產生不同大小的量子點并確定其最大發光值。人眼可以感覺到波長范圍在380-750nm內的光，對應789-400THz的頻率范圍，并需要產生的3.26eV-1.65eV光子能量。

量子點可以由一系列半導體材料合成。在顯示技術最常使用的材料中，硒化鎘（CdSe）和磷化銦（InP）材料覆蓋最高內部量子效率水平（80-100％）的可見波長范圍。

量子點也具有較窄的對稱發射光譜，可以產生最高色純度飽和發光顏色。

了解有關顯示器中顏色生成或QD運用原理的更多信息。

結論

在本白皮書中，我們介紹了納米晶體技術的基本功能原理及其在顯示器中的應用。由于科學仍在為應對QD運用和結構改進挑戰方面做進一步努力，請繼續關注此話題的后續進展。接下來，我們將討論QD在顯示器應用中的發展趨勢及其原因。

鳴謝：

我們感謝弘益大學材料科學與工程系的Heesun Yang教授分享他的筆記和資源。

參考文件：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2015/cs/c5cs00285k


    文章來源：samsung display

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