無鎘量子點制備技術及顯示應用研究

鄭劍威

（江蘇省生產力促進中心，南京210042）

1 引言

量子點[1]是一種三維團簇的半導體納米材料，具有表面效應、量子尺寸效應、介電限域效應和宏觀量子隧道效應，從而呈現出激發光譜寬且連續分布，發射光譜窄而對稱，顏色隨尺寸可調，光學穩定性高，熒光壽命長等特點，獲得顯示領域的廣泛關注和研究，常用的量子點為CdS、CdSe、CdTe 等鎘系量子點。2011 年，三星電子研究出世界第一臺量子點顯示器，在畫面質量和色彩上比傳統顯示器有突破性的提高，且只需一種藍色背光激發，便可得到所有可見光譜的光，更便宜，更節能，這促使世界各地都在爭相開展量子點在顯示領域的應用研究。

因Cd 系量子點含有重金屬而對垃圾回收及環境治理帶來不可忽視的災害，而被使用在電子電器設備中。2016 年起，含鎘量子點正式被歐盟列為高危害有毒物質和可致癌物質，并予以規管，具有量子點發光性能的非鎘系量子點制備技術已成為顯示產業領域爭相追逐的焦點，未來的量子點技術必然會給顯示器行業帶來根本性的變化，甚至是革命。因此，論文結合已有量子點的工作基礎，總結介紹了無鎘量子點制備方法，提出了量子點顯示技術發展現狀和面臨挑戰，并對量子點顯示領域的應用前景進行了研究與展望。

2 量子點的分類

根據元素組成，量子點可分為以下三類：

①Ⅲ-Ⅴ族量子點。典型代表有InAs、GaSb、GaN。其中，GaN 基白光LED 的實現，其在新材料、新工藝上的許多優點，日亞公司在藍光LED 技術上的突破，使GaN 作為第四代照明光源。

②Ⅱ-Ⅵ族量子點。典型代表有CdSe、ZnSe、CdTe、ZnO。Ⅱ-Ⅵ族的量子點具有十分獨特的光學性質，通過調節顆粒的內核半徑，其熒光發射峰波長可從紫外到紅外連續可調。其中，CdTe 和CdSe 為直接帶隙材料，性能穩定，提純容易，制備方法相對成熟，極大促進了量子點在顯示領域的發展。ZnSe 量子點在室溫下具有2.67 電子伏特的帶隙寬度和21 兆電子伏的激子結合能，而在發光顯示方面應用廣泛。ZnO 已經實現了室溫下光泵激發的受激發射，并制備出白光LED。

③Ⅳ族量子點。典型代表有Si、Ge。其中，硅量子點在1988 年被制備出來后受到了廣泛研究，硅量子點性質獨特，不但無毒無害、環境友好，而且儲量豐富，可以大量生產。我國半導體所駱軍委研究員于2017 年發現處于高能硅直接帶隙躍遷并沒有隨硅量子點的變小而顯著發生紅移，并最終導致硅量子點成為直接帶隙發光，該研究將在全球范圍內及時制止在該硅基發光方向進行無謂的研究。

3 無鎘量子點制備技術

①氮化鎵（GaN）量子點。氮化鎵主要通過化學合成和有機氮化物分解方法制備，但自1928 年被合成以來，其量子點制備方式被持續改進中，但長期以來，缺乏氮化鎵晶格匹配的合適襯底材料，影響了氮化鎵量子點的制備，目前，以碳化硅為理想襯底材料，但是價格極其昂貴，限制其走出實驗室。

②氧化鋅（ZnO）量子點。以醋酸鋅為前驅體，氫氧化鉀作為堿源，一次性大量得到氧化鋅量子點熒光粉末。該方法克服了產量低的缺點，但在酸性條件和金屬離子存在的條件下存在嚴重的熒光猝滅問題。需要以硅烷偶聯劑作為鏈接劑，制備碳-氧化鋅交替量子點鏈，解決由聚集引起的熒光猝滅的問題[2]。

③硫化鋅（ZnS）量子點。利用微波的輻射加熱原理對反應物進行加熱，優點是反應體系中的溫度受熱均勻，升溫快，從反應物內部加熱。通過改變微波反應時間和輸出功率得到不同發射波長的量子點。

4 無鎘量子點在顯示領域的應用

4.1 顯示材料

量子點可以在紅色光和綠色光區域提供較強的單色光，從而突破傳統的白光LED，在可見光譜的范圍內難以提供足夠的綠色光和紅色光的限制，進而在一定范圍內提供出一個有效的途徑。除此之外，量子點能夠實現可以折疊和卷曲的柔性顯示，并且非常輕薄和耐用，并且具有非線性形狀系數，比起其他的剛性現實材料具有更多的優點。

4.2 顯示器

量子點是無機材料，所以結合LCD 的背景光源才能夠產生跟OLED 相似的高飽和的紅、黃、藍三原色，從而使得所顯示的光譜范圍更大，從而使得視覺上來講，紅色更紅，綠色更亮，進而使得圖像的顏色更加的逼真，且具有更高的亮度和更好的節能效果。

4.3 顯示基板

顯示器的生產工藝、成本、圖像質量以及穩定性完全取決于基本材料的物理化學性質，量子點粘土高分子復合材料薄膜具有很好的熱穩定性和阻隔氧氣和水汽的滲透性，從而可以保持高分子聚合物材料基板擁有透明性、柔性、質量輕、耐用以及價格便宜等優點，從而克服了傳統聚合物材料透明度、熱穩定、阻隔性、耐溶性等方面的不足，從而使其更好地應用于柔性顯示器開發的潛力中。

5 無鎘量子點在顯示領域面臨的挑戰

5.1 量子點泄露問題需重視

量子點一般呈固態粉末狀應用于顯示器基板中，然而合成量子點表面一般都修飾了穩定劑，這些穩定劑長時間暴露在空氣中，會降解導致量子點聚集成團，進而影響顏色的純度。為降低該影響，可對量子點LED 進行封裝。但現有封裝技術在一定程度上可防止侵蝕量子點LED，但也影響著光傳播路徑的光效。因此，如何既能保證量子點的固定位置而不發生泄露，又能密封隔絕空氣是一個重要的挑戰。

5.2 量子點顯示材料的熱敏性需克服

量子點的一個顯著特點就是隨著溫度的升高，其晶體表面的晶體缺陷加大，出現熒光效率下降，熒光強度降低的現象。在顯示器材料中，一些電能在通過電子元件時，是可以產生一些熱量的，從而導致顯示器內溫度隨著開機時間的加長而不斷地提高，進而使得量子點顯示器的顏色隨著開機時間久后變得逐步弱化。

5.3 無鎘量子點工業化合成難題需突破

量子點的發光是由于吸收激發光以后產生電荷載體的重組，但是如果制備的量子點有大量的缺陷，就會發生電荷載體的無輻射重組，從而影響量子產率[3]。無鎘量子點合成方法，還有很多需要研究的技術難題，如熒光效率更高、熒光穩定性更好的量子點的大規模合成。

6 結語

雖然量子點顯示技術還有很多的原理和方法問題需解決，但量子點準確輸送光線，高效提升顯示屏的色域值，讓色彩更加純凈鮮艷，使色彩表現更具張力等特點，將未顯示領域帶來革命性變革。