一文搞懂量子點技術核心技能

07-18

發光的原理大抵包含電致發光（Electroluminescence，EL）、光致發光（Photoluminescence，PL）和化學發光（生物發光和燃燒發光可歸類在此），而如今被普遍使用，能產生高亮度、並且有效節能的方式，正是電致發光，早在愛迪生髮明電燈時，就已打開電致發光的大門，光源之旅一路從始祖鎢絲燈，一路走到今日的LED固態照明。

而LED、OLED和量子點，都同屬於電致發光中的固態場效發光，電子從激發態（Excited State）以輻射的方式回到基態（Ground State），當材料是直接能隙半導體時，這個輻射就會以光的形式呈現，對無機物LED和量子點來說，激發態的能量位置稱之為傳導帶（Conduction Band，CB），基態的位置稱之為價帶（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。

激發態的能量較高，回到基態時是釋放能量的，對可發光的半導體材料來說，光就是這股被釋放的能量，激發態與基態間關鍵的能量差就叫做能隙（Energy Gap），能隙決定了光的能量，進而決定了光的頻率與波長，總結的說，材料的能隙就定義了光的色彩，是解開光譜奧秘的鑰匙，不同的發光材料（直接能隙半導體），理論上對應了不同的能隙。

於是在固態發光的旅程中，科學家絞盡腦汁尋找各種波長對應的理想材料，輔以摻雜（doping）的技術實現各種顏色的光，商業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，背後蘊含了龐大的知識與技術，固態照明能有今天的成果，得要感謝科學家們的努力，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光，補足RGB三缺一的詛咒時，全世界都流眼淚了！這個被譽為「二十世紀不可能的任務」的里程碑，一來意味著二極體白光的誕生，固態照明的路從此打開，二來意味著實現全色彩（Full Color）的原料齊備，LED可以拿去做顯示了！一個藍光的突破，讓LED一口氣打開通往兩個巨大市場的門，中村於是當之無愧的成了諾貝爾獎得主。

該說說量子點了。

對於一維二維三維的納米材料我們這裡不討論，我們只需看塊材（Bulk Material）和量子點（Quantum Dot）就好，一般在半導體的領域，我們使用的材料是塊材，塊材由許多原子透過共價鍵合體，原子與原子間的複雜作用力，讓不連續的能階形成接近連續的能帶，也就是我們所說的導帶和價帶，導帶與價帶間有固定的能量差，於是塊材的能隙就這麼決定了。但當我們把塊材持續的縮小到奈米尺度，且小於其波爾半徑時，量子局限效應（Quantum Confinement）出現了，原本固定的能階會開始往外擴，當尺寸持續縮小時，發光波長會開始藍移（能量變強，光的波長變短）

這個因為量子局限效應出現的能階改變，就是量子點進入顯示舞台的核心，只要選一個能隙小的材料，透過尺寸控制就能發出所有可見光，對，所有，什麼晶格匹配什麼摻雜的功夫都可以洗洗睡了。

量子點最夢幻的事，就是「一種材料，各種波長」，這個光可調的技能，可以用固定的材料去實現多種波長，色彩還又准又pure，這真的很過分，徹底玩弄了半導體能隙與波長一對一的常理。於是，如LED和OLED那般尋找波長拼圖的做法成了歷史，量子點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移時涵蓋所有可見光、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…，這些條件列出來確實科學家也哭著想回家了，但…這是奈米材料啊！奈米材料是材料科學的未來啊！怎麼能跟簡單沾上邊呢？困難是理所當然的，反正找到了就是一百，找不到就是零，量子點材料選好了以後，再也不需要擔心的就是色域，更遑論去思考白光缺少哪個要素這種別腳的問題。

從應用端的延展性來看，量子點同時具備了發散跟收斂的能力，不只能用一把鑰匙打開所有波長的門，實現精準的色彩、完美的色域；在光致發光的應用時，還可以讓不同門通往同一個房間－－－只要來源光都在可激發的範圍，量子點能把不同波長的光轉換成單一波長，實現光一致性的「整光」效果，這對顯示來說是個振奮人心的特質，解決了單一Wafer晶片波長範圍難以微縮的難題，於是這個能「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熱切觀望，期許能解決自身技術限制的秘密武器。

量子點跟LED和OLED的關鍵差別，就是（1）擁有控制波長的完美特質，以及（2）目前唯一能在光致發光和電致發光都有所作為的材料，這兩點大大的打開量子點的應用彈性與想像空間。

量子點的尺寸非常小，已經很難用Top－Down的方法製造，目前的製備方法都是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的發光效率，採用了Core－Shell結構（下圖左），用能隙更寬的材料保護中央的發光中心，以CdSe／CdS結構來說，CdSe是發光中心，CdS是保護外殼，這種作法持續很久，量子點的發光波長跟尺寸大小在這個時期都是直接相關的，普遍來說2nm～10nm的大小的量子點，可以對應藍光到紅光的所有可見光，越大顆波長就越長，反之亦然。後來稱作合金（Alloy）量子點的作法出現了（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，發出不同波長的光，漸漸地成為今日量子點的主流。

最理想的發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痛擊的弱點，再說了，只要被貼上含毒的標籤，消費者就很容易從懷疑轉成恐慌（消費者是非理性的），更別說未來回收還要面臨各種限制。於是，「含鎘」成了量子點商業化的詛咒，為了甩開這個詛咒，量子點只能努力地朝向非鎘與低鎘材料前進。

故事先到這邊告一段落，對量子點來說，（1）尋找對的商業產品，跟（2）解決鎘的疑慮，是接下來最重要的課題，這篇主要著眼於量子點的原理與存在價值，由於時候不早了，下次再讓我們進入量子點的商業發展之路。

來源：行家說顯示