一文解析量子点技术的发光原理

很多东西都是偶然发现的——引力、青霉素、新大陆——现在这个名单又有了新成员：美国能源部劳伦斯•伯克利国家实验室的科学家发现了，为什么一项制造量子点和纳米柱的技术到目前为止还不能令人满意。而且，他们还发现了如何纠正这个问题。

伯克利实验室的化学家Paul Alivisatos和Illinois大学的化学家Prashant Jain领导一组研究者发现，为什么溶液中的多种成分结晶而成的纳米晶体经过阳离子置换后，色泽变差了。他们发现，问题的根源是最终的产品不纯。研究小组还指出，这些杂质可以通过加热去除。

图片左边的瓶子里装的是净化前的晶体，右边的瓶子里是把杂质去除后的纳米晶体。

所谓量子点

量子点是指直径小于纳米的半导体超微颗粒。1纳米相当于十亿分之一米，足见量子点颗粒之小。简单比较来说，如果世界的大小假定为1，那么量子点（0.000000001）就相当于一个足球那么大。它比时下已成为问题的空气中的超细微颗粒（2.5μm）都要小一千倍。量子点是由无机物材料，直径为2~10纳米的内核和外壳组成，最终由高分子涂层包裹而成的构造。最具代表性的量子点材料是镉。由于镉对环境有害，三星开发了新的量子点技术，即使没有镉材料，依旧可以保持量子点的高性能。目前这项技术正投入使用中。

量子点的发光原理

量子点的独特之处在于，即使向同一种物质发光或供给电流，根据粒子的大小却会展现出不同的颜色。粒子若小则会看到蓝色的短波光，粒子若大则会看到红色的长波光，因而可以通过粒子的大小来表现不同的颜色。

量子点显示的分类

① QDEF-LCD （Quantum Dot Enhancement Film LCD）

目前应用量子点技术的产品如已上市的三星SUHD电视等，主要使用的就是QDEF技术。就是在基准的LCD上添加量子薄膜。其具体方式就是将含有量子点的量子薄膜如上图所示插入在发光的背光模组之上，让穿过薄膜的光通过液晶和彩色滤光片的方式展现颜色。构造虽与LCD的方式无异，但通过QDEF技术可以得到相当好的色彩再现效果。

② QDCF-LCD （Quantum Dot Color Filter LCD）

与QDEF的方式在LCD的背光模组上添加量子薄膜不同，QDCF技术是直接将基准的LCD彩色滤光片（color filter）材料换成QD来表现所需的颜色。这项技术的优势在于量子点的发光位置就在离人眼更近的彩色滤光片上，相对于量子薄膜内的光要通过液晶和彩色滤光片的QDEF方式可展现纯度更高的色彩表现力。

③ QD-OLED （Quantum Dot OLED）

目前学术界在讨论关于将量子点和OLED结合的新技术。如果说到目前为止讨论的QDEF和QDCF技术是以LCD为基础的概念，那么QD技术就是将OLED的蓝光应用在背光模组，使光通过由量子点组成的红色和绿色彩色滤光片来表现颜色的概念。依旧使用彩色滤光片与LCD相似，同时不选用液晶而是OLED材料又与OLED相似，因而被叫做OLED量子点混合型技术。由于背光模组的材质是OLED并且不含液晶材料，理论上是可以实现柔性显示技术的。

④ QD-LED （Quantum Dot Light Emitting Diode）

最后一项称之为QD-LED技术。这项技术与前三者有着很大的不同。QD-LED技术是指以量子点元素组成的RGB自身可发出固有的颜色。自体发光这一点与OLED（有机发光二极管）相似。显示构造虽与目前的OLED相似，然而发光物质由无机物换成有机物可看成差异很大的概念。OLED所采用的有机材料在空气与水分中易受损的反面，采用无机材料的量子点不存在相应问题，所以在制造过程和使命寿命层面上得到了积极正面的评价。当然量子点在摄氏50度以上有易受损的缺点，但作为可克服现有难题的新技术，未来会受到更多的瞩目。

量子点技术核心技能

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。