無鎘量子點制備技術(shù)及顯示應(yīng)用研究

鄭劍威

【摘 要】量子點因其具有良好的發(fā)光特性而被廣泛應(yīng)用于顯示領(lǐng)域，但歐盟出臺了RoHS規(guī)定后，量子點的非鎘化制備成為研究人員關(guān)注的焦點，同時也是市場的需求。論文對無鎘量子點制備方法進行了總結(jié)，提出了量子點顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，并對量子點顯示領(lǐng)域的應(yīng)用前景進行了研究與展望。

【Abstract】Quantum dots are widely used in the field of display due to their good luminescence properties. However， after the RoHS regulation issued by the European Union， cadmium-free preparation of quantum dots has become the focus of researchers and the demand of the market. This paper summarizes the preparation methods of cadmium-free quantum dots， puts forward the development status and challenges of quantum dot display technology， and makes a research and prospect on the application prospect of quantum dot display.

【關(guān)鍵詞】量子點;鎘;制備;顯示領(lǐng)域

【Keywords】quantum dots; cadmium; preparation; display fields

【中圖分類號】TB383 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2019）07-0189-02

1 引言

量子點[1]是一種三維團簇的半導(dǎo)體納米材料，具有表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、介電限域效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，從而呈現(xiàn)出激發(fā)光譜寬且連續(xù)分布，發(fā)射光譜窄而對稱，顏色隨尺寸可調(diào)，光學(xué)穩(wěn)定性高，熒光壽命長等特點，獲得顯示領(lǐng)域的廣泛關(guān)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(zhì)量和色彩上比傳統(tǒng)顯示器有突破性的提高，且只需一種藍色背光激發(fā)，便可得到所有可見光譜的光，更便宜，更節(jié)能，這促使世界各地都在爭相開展量子點在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

因Cd系量子點含有重金屬而對垃圾回收及環(huán)境治理帶來不可忽視的災(zāi)害，而被使用在電子電器設(shè)備中。2016年起，含鎘量子點正式被歐盟列為高危害有毒物質(zhì)和可致癌物質(zhì)，并予以規(guī)管，具有量子點發(fā)光性能的非鎘系量子點制備技術(shù)已成為顯示產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域爭相追逐的焦點，未來的量子點技術(shù)必然會給顯示器行業(yè)帶來根本性的變化，甚至是革命。因此，論文結(jié)合已有量子點的工作基礎(chǔ)，總結(jié)介紹了無鎘量子點制備方法，提出了量子點顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和面臨挑戰(zhàn)，并對量子點顯示領(lǐng)域的應(yīng)用前景進行了研究與展望。

2 量子點的分類

根據(jù)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(xiàn)，其在新材料、新工藝上的許多優(yōu)點，日亞公司在藍光LED技術(shù)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(xué)性質(zhì)，通過調(diào)節(jié)顆粒的內(nèi)核半徑，其熒光發(fā)射峰波長可從紫外到紅外連續(xù)可調(diào)。其中，CdTe和CdSe為直接帶隙材料，性能穩(wěn)定，提純?nèi)菀祝苽浞椒ㄏ鄬Τ墒欤瑯O大促進了量子點在顯示領(lǐng)域的發(fā)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(jié)合能，而在發(fā)光顯示方面應(yīng)用廣泛。ZnO已經(jīng)實現(xiàn)了室溫下光泵激發(fā)的受激發(fā)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(zhì)獨特，不但無毒無害、環(huán)境友好，而且儲量豐富，可以大量生產(chǎn)。我國半導(dǎo)體所駱軍委研究員于2017年發(fā)現(xiàn)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(fā)生紅移，并最終導(dǎo)致硅量子點成為直接帶隙發(fā)光，該研究將在全球范圍內(nèi)及時制止在該硅基發(fā)光方向進行無謂的研究。

3 無鎘量子點制備技術(shù)

①氮化鎵（GaN）量子點。氮化鎵主要通過化學(xué)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(xù)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(qū)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(chǎn)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(yán)重的熒光猝滅問題。需要以硅烷偶聯(lián)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(yīng)物進行加熱，優(yōu)點是反應(yīng)體系中的溫度受熱均勻，升溫快，從反應(yīng)物內(nèi)部加熱。通過改變微波反應(yīng)時間和輸出功率得到不同發(fā)射波長的量子點。

4 無鎘量子點在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 顯示材料

量子點可以在紅色光和綠色光區(qū)域提供較強的單色光，從而突破傳統(tǒng)的白光LED，在可見光譜的范圍內(nèi)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(nèi)提供出一個有效的途徑。除此之外，量子點能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)，比起其他的剛性現(xiàn)實材料具有更多的優(yōu)點。

4.2 顯示器

量子點是無機材料，所以結(jié)合LCD的背景光源才能夠產(chǎn)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(jié)能效果。

4.3 顯示基板

顯示器的生產(chǎn)工藝、成本、圖像質(zhì)量以及穩(wěn)定性完全取決于基本材料的物理化學(xué)性質(zhì)，量子點粘土高分子復(fù)合材料薄膜具有很好的熱穩(wěn)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(zhì)量輕、耐用以及價格便宜等優(yōu)點，從而克服了傳統(tǒng)聚合物材料透明度、熱穩(wěn)定、阻隔性、耐溶性等方面的不足，從而使其更好地應(yīng)用于柔性顯示器開發(fā)的潛力中。

5 無鎘量子點在顯示領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

5.1 量子點泄露問題需重視

量子點一般呈固態(tài)粉末狀應(yīng)用于顯示器基板中，然而合成量子點表面一般都修飾了穩(wěn)定劑，這些穩(wěn)定劑長時間暴露在空氣中，會降解導(dǎo)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(xiàn)有封裝技術(shù)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(fā)生泄露，又能密封隔絕空氣是一個重要的挑戰(zhàn)。

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(xiàn)熒光效率下降，熒光強度降低的現(xiàn)象。在顯示器材料中，一些電能在通過電子元件時，是可以產(chǎn)生一些熱量的，從而導(dǎo)致顯示器內(nèi)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(yè)化合成難題需突破

量子點的發(fā)光是由于吸收激發(fā)光以后產(chǎn)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(fā)生電荷載體的無輻射重組，從而影響量子產(chǎn)率[3]。無鎘量子點合成方法，還有很多需要研究的技術(shù)難題，如熒光效率更高、熒光穩(wěn)定性更好的量子點的大規(guī)模合成。

6 結(jié)語

雖然量子點顯示技術(shù)還有很多的原理和方法問題需解決，但量子點準(zhǔn)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(xiàn)更具張力等特點，將未顯示領(lǐng)域帶來革命性變革。

【參考文獻】

【1】魏文君，曹元成，劉繼延，等.江漢大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）[J].2015（43）：5-11.

【2】Q.Su，L.J.Li，H.P.zhao.Synthesis and optoelectronic properties of p-type nitrogen doped ZnSe nanobelts[J].Mter.Lett，2013（92）：338-341.

【3】劉凱凱.氧化鋅量子點的制備與應(yīng)用研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2018.