膠態量子點之合成始於一九九○年代初，起初主要是以 II-VI 族之 CdSe 為材料，其量子產率普遍小於 10%，主因是奈米粒子表面存有太多缺陷。經過改良，表面以磊晶成長出一層高能隙的 CdS 或 ZnS 保護層後，可以侷限激子遠離表面，增加電子-電洞復合率，如此可提升量子產率到達 50%以上。
接著，為達到更高 QY 及穩定性之量子點，核殼結構設計主要是以多層殼結構達到具組成梯度（CdSe/CdS/ZnSe/ZnS）而致具能量梯度之量子井為主流。其中，這些高量子產率的量子點大多為薄殼層的量子點，殼層厚度大約 2~5 個單分子層，直徑約 3~7 nm，故這類量子點較適合應用於光轉換之產品。然而，因其有不耐清洗、螢光共振能量轉移、易受水氧與溫度影響和易產生歐傑復合等缺點，為達到更高品質之量子點，厚殼量子點被提出以解決上述問題。
本文主要針對殼層厚度大於 10單層之 II-VI 族核殼型量子點的結構與其電致發光特性做一介紹。厚殼量子點又稱為巨大量子點，其具有耐清洗、低螢光共振能量轉移、低歐傑復合效應及高可靠度等特性，被認是極具潛力的新型螢光材料。為達成在增加殼的厚度下仍維持高量子產率之要求，必須藉由具組成梯度而致具能量梯度之量子井之方式，以提高核與殼的晶格相容性及激子侷限性。最後，談到厚殼量子點應用在電致發光元件上之發光特性，及其願景。
圖二、厚殼量子點堆積成緊密之薄膜時不易產生FRET效能損失
QLED 的發光機制
有別於傳統螢光粉的缺陷發光以及有機分子的 π 電子發光，半導體量子點是由其導帶與價帶中的電子電洞對結合而放出光子，由於電子與電洞之間具有庫倫吸引力而 形成激子（Exciton）這種束縛態，激子的能量完全決定了量子點的發光波長。此外，量子點的大小一般為奈米尺寸，略小於激子本身的波爾激子半徑，也就是電子與電洞之間的平均距離，故會對激子產生量子侷限效應而增加激子的能量（可視為量子點的能隙），因此可藉由控制量子點的尺寸來控制發光波長。
圖五、Biexciton與Trion造成的歐傑復合
厚殼量子點合成系統
近來厚殼量子點合成蓬勃發展，限於篇幅，茲以紅色厚殼量子點為例，說明其合成及結構設計概念。CdSe/CdS 核殼系統最容易獲得紅色發光之量子點，因為當 CdS 的厚度增加時，CdS 的導帶會低於 CdSe 的導帶，形成所謂的 Quasi-Type-II 量子點，造成電子很容易至殼層或波函數在殼的分布機率增加，但電子電洞仍在核/殼界面做復合，不過激子的 Lifetime 延長了，並產生極大的發光波長紅移現象。
QLED 的效能因子及厚殼量子點優勢
目前 QLED 的結構與使用載子傳輸層材料種類非常繁多，但如果以效率最高的 Type-IV 結構來討論，可以較容易進行分類與討論。由於 Type-IV 的結構一邊是無機傳輸層，而另一邊是有機傳輸層，前述提到，ZnO 是一個高效能的載子傳輸層，後續的 Type-IV 元件發展幾乎都往 ZnO 奈米粒子發展，然後再變動其他的有機高分子層。以目前全世界最高亮度的藍光與綠光 QLED 元件為例……以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：陳志榮、劉佳政 / 台灣奈晶有限公司；連峻儀、王素蘭 / 清華大學；江瑞童、蔣瑞光 / 遠東科技大學；黃俊元 / 台東大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」353期，更多資料請見下方附檔。