從專利觀點看量子點材料製備

 

刊登日期:2015/5/5
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量子點材料製備
量子點材料有許多種方法可以製備,但以膠體溶液合成法( Colloidal Synthesis )最具有量產可行性。Bawendi 團隊在 1993年發表了製備單分散量子點的方法,利用熱裂解有機金屬反應物注入熱溶劑的方式,有助於分散成核點,以控制量子點均勻成長;接著以沉澱法分離出相同尺寸的量子點,便可以得到尺寸分佈小、發光波長窄的量子點。當時所得之量子點,雖然具有高度色彩選擇性,但其量子效率卻不佳,亦即其激發光強度相當低。 
1. MIT
MIT US 6,322,901 B1 可說是量子點材料製備的引用之最,為 MIT Bawendi 教授團隊提出,以 CdX(X = S, Se, Te)為核,外層包覆 1~2層 ZnY(Y = S, Se)外殼,最外層再包覆一層有機層的核-殼結構,可藉由調整有機層的組成提高量子點與外界溶媒的相容性,以穩定量子點分散液。如此可得到尺寸分佈 <10%,FWHM 40~60 nm,量子效率高於 30%的量子點。材料粒徑大小與放光波長如圖三所示。

 

圖三、不同尺寸CdSe
量子點光譜圖,單核(虛線),覆上1~2單層的ZnS外殼(實線)
 
3. Samsung Multi-shell Nanocrystal
三星公司對量子點材料的耕耘也很早,US 7,455,825 B2 發表以 Thiol 前驅物(硫)合成出均勻的奈米結晶;US 7,621,997 B2 則宣稱利用 2種以上具不同反應速率的前驅物來形成多層殼的結構( Multi-shell )。藉由多殼結構可將量子點效率更加提升,如圖八所示。
 
表面修飾
對製備量子點而言,材料的表面修飾也是相當大的課題。最早的量子點是在玻璃中觀察到,當時使用 CdS、CdSe、ZnS 等單核材料並無水、氧等問題,隨著應用增加,材料的不穩定性影響量子效率成為問題。有極大的體表面積比( Surface-to-volume Ratio )的量子點,量子效率受表面特性影響極鉅,包括表面缺陷( Defect )或一些高反應性的單鍵鍵結( Dangling Bonds )都易發生配位或非照射性的電子電洞結合等,不但降低量子效率且讓粒子產生凝集問題。
 

圖十、五種量子點表面修飾技術示意圖
 
1. Nanosys —表面修飾配體
Nanosys 公司在光伏( Photovoltaics; PV )相關量子點修飾上有相當多專利佈局。因為在高分子發光元件及光伏元件中,引入量子點可以幫助捕光,再搭配選擇具吸光性的高分子 Matrix 材料,可以改善整體元件表現。然而,光伏元件內的電荷遷移通常會受限於高分子 Matrix,因此,電荷在 Matrix 內或奈米晶體之間的遷移,往往是最佳化光伏元件操作的重要關鍵。US 7,943,064 B2中揭示一種修飾量子點表面的方式…… 以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:謝葆如、劉怡君、王聖為 / 工研院材化所 
★本文節錄自「工業材料雜誌341」,更多資料請見下方附檔。

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