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量子点物理原理:理解量子点显示技术的基础指南

摘要

本白皮书旨在为深入了解量子点(QD)技术背后的科学原理及其在量子点显示器中的前景应用奠定基础。了解这些知识,您将能够自信地跟随技术发展的脚步,更加深入了解该行业,因为该行业正不断取得新的突破并进一步提高了显示器中的量子点利用率。

由于纳米技术已经成为高端显示器的重要基础,我们在量子点的基础上进行了进一步拓展,以了解量子点半导体粒子的关键特性及其工作基本原理。

量子点基本原理

什么是量子点?

量子点是直径2-10nm(纳米,10^-9)的微小半导体粒子。由于粒径小,这些粒子具有独特的光学和电学特性。例如,接触光时,量子点晶体可以发出特定频率的光。

量子点的大小和形状可以通过调整反应时间和条件来精确控制,从而使纳米技术在显示器应用中具有可扩展性和实用性。

量子点如何工作?

让我们更深入地了解一下量子物理学(不要被吓倒),探索量子点(QD)发光的原因,以及其所发出光的波长(决定颜色)取决于粒径的原因。

量子点中发光的过程被称为光致发光(缩写为PL),因为发光由光子激发产生。在光的影响下,光子被激发,“跳”至更高的能量带。随后进入弛豫过程,在此期间,光子可以非放射性地(“后退”)弛豫,进入到低能态或者重新复合并再发射。

光发射过程

能带隙—是指价带顶部和导带底部之间的能级差异,其决定了发射光的波长。

量子点有何独特之处?

在像硅那样的常规半导体(也被称为块材)中,这些能带由大量原子和分子的相邻能级合并而形成。但由于粒径达到纳米级,原子和分子的数量大大减少,重叠能级的数量减少,导致带宽增加。由于量子点非常微小,因此与块材相比,它们在价带和导带之间的能隙更高。

块状半导体vs QD

因此,量子点的独特特性可以用两个纳米级现象来解释:量子局限效应和这些粒子电子态的离散性(量子化)。

量子局限效应

量子局限效应是指当能带受到电子波范围变化的影响时观察到的粒子原子结构变化。由于波的范围与粒径相当,因此电子受到波长范围的限制。因此,量子点的特性依赖于其大小,且它们的激发局限在三个空间维度中。

局限能量是量子点的关键特性,它解释了量子点大小与其发射光频率之间的关系。

QD的量子化(或离散)电子态

由于QD粒子粒径小,量子局限效应将产生可观察离散能级的较大能带隙。量子点中的这种量子化能级导致位于单个分子(单一能带隙)与大块半导体(能带内具有连续能级)之间的电子结构形成。

为什么量子物理学对显示技术很重要?

首先让我们把量子物理学与显示器中的量子点联系起来。

量子点的独特特性—由其特别高的表面积-体积比所致—解释了这些纳米晶体能够产生由粒径决定的独特颜色的原因。

量子局限效应

随着晶体粒径减小,最高价带与最低导带之间的能量差增大。然后需要更多的能量来激发量子点,同时,当量子点返回到其原来的弛豫状态时,将释放更多的能量。

由于这种现象,如果量子点大小变化,量子点可以利用相同的材料发出任何颜色的光。此外,由于所制备纳米晶体粒径的高度可控性,可以在制造过程中调整量子点以发出期望的光的颜色。

这听起来很棒,是吗?然而,所有这些优势却也伴随着量子点显示器应用中特有的一系列挑战。

QD应用中的挑战有哪些?

光漂白

可扩展纳米技术应用于显示器的挑战之一是量子点粒子的不可逆退化性,称之为光漂白。由于在高频、高温或潮湿环境中暴露于光下,可能会发生光漂白。QD分子的腐蚀和氧化作为非辐射复合通道产生表面陷阱态。

由于光漂白,量子点分子永久失去发光能力。平均而言,不受保护的QD分子寿命将在1000秒以内(总计约17分钟)。由于显示技术使用背光源照明半导体粒子,量子点将需要持续暴露在较长波长的光源下。

量子点结构

光致发光(PL)闪烁

基于其大小可调光发射的QD在显示中的应用还受到所谓的PL闪烁—纳米晶体发射中的光致发光间歇现象的影响。这种闪烁现象由于一个或两个激发的载流子逃逸到量子点晶体的表面产生。

俄歇复合

俄歇复合是在半导体中发生的类似俄歇效应。电子和电子空穴(电子-空穴对)可以重新复合,将其能量释放给另一电子(导带中),从而增加其能量。

俄歇复合发生在激发电子复合时而非发射光时,将能量转移到附近的电子(或空穴),产生“热”电子(空穴)。在QD中,将会将这些非辐射过程将降至最少,因为我们的目标是最大程度地发光。俄歇复合是一个损耗过程,大大降低量子点的效率。

让量子点应用于显示器

记住这些主要障碍,先让我们来探讨领先的面板制造商如何将这种技术包装并应用于显示器。

提高量子点强度

为实现稳定性和抗光化学反应,制造商通过采用核壳设计来加强QD结构。在该情况下,纳米晶体由量子点半导体核材料制成,由半导体核壳和表面配体包裹,以降低半导体核的脆弱性。

核壳量子点

核壳有助于有效消除表面态和限制电子空穴载流子,从而提高量子产率和稳定性。另外,核壳还可以防止受环境变化的影响并防止光氧化退化。

另一保护机制是利用功能配体的量子点表面改性,微调其理化特性和荧光发射行为。由于电子陷阱有效钝化,配体不仅可以物理保护纳米晶体免受周围环境的影响,还可以提高光致发光量子产率,从而有助于防止俄歇复合效应。

减少PL闪烁和俄歇复合

这种改良量子点结构也有助于减少光致发光闪烁和俄歇复合。核壳提供了能量屏障,防止载流子逃逸到表面。由于核壳包裹着核,因此有效将其用于限制光生电荷并将其限制在核上。这可通过使用低晶格失配的核壳和核材料实现,以确保激发的载流子局限在较窄的能带隙。

通过保持电荷中性,核壳帮助避免俄歇复合效应,抑制PL闪烁,从而改善光致发光现象。

现代量子点材料的进一步改善

为进一步降低俄歇复合效应,现代量子点材料在核与核壳之间还有另外一层—称为中间核壳。中间层的引入减少了带内跃迁,从而大大降低了俄歇复合效应。

中层核壳

可见的QD半导体

接下来,让我们看看量子点显示技术中使用的实现期望的可见光致发光的材料。

由于其化学组成和特性,不同材料可以产生不同大小的量子点并确定其最大发光值。人眼可以感觉到波长范围在380-750nm内的光,对应789-400THz的频率范围,并需要产生的3.26eV-1.65eV光子能量。

量子点可以由一系列半导体材料合成。在显示技术最常使用的材料中,硒化镉(CdSe)和磷化铟(InP)材料覆盖最高内部量子效率水平(80-100%)的可见波长范围。

可见QD半导体

量子点也具有较窄的对称发射光谱,可以产生最高色纯度饱和发光颜色。

了解有关显示器中颜色生成或QD运用原理的更多信息

结论

在本白皮书中,我们介绍了纳米晶体技术的基本功能原理及其在显示器中的应用。由于科学仍在为应对QD运用和结构改进挑战方面做进一步努力,请继续关注此话题的后续进展。接下来,我们将讨论QD在显示器应用中的发展趋势及其原因。

鸣谢:

我们感谢弘益大学材料科学与工程系的Heesun Yang教授分享他的笔记和资源。

参考文件: