無鎘III-V族磷化銦量子點合成及其於發光二極體之應用

 

刊登日期:2015/5/5
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前言
根據 Jablonski Diagram(圖二),可知量子點之發光機制,量子點受入射光激發,其電子由價帶躍遷至導帶,並於價帶留下正電荷之電洞( Hole ),電子於導帶中經非輻射衰退過程回到基態,與電洞再結合放出螢光( Fluorescence ),螢光之生命週期約為 10-9 s,不同組成之量子點其螢光生命週期不同,硒化鎘( CdTe )之螢光週期約數十個 10-9s,而磷化銦量子點約為數百個 10-9 s。較長之生命週期對於長時間生物追蹤上具有其優勢。


圖一、不同維度之奈米材料電子能階分布圖

具毒性之含鎘II-VI族量子點
二價態陽離子(例如鋅Zn2+、鎘 Cd2+)與六價態陰離子(例如硫S2-、硒Se2-)組成II-VI族量子點,其研究與應用相對其他量子點材料最為廣泛。1993年 Murray 等人將二甲基鎘與三甲基矽基硒化合物用熱注射法分解,並加入 TOPO( Tri-N-Octylphosphine Oxide )作為有機溶劑與量子點外層分散配體合成硒化鎘量子點,圖四為 2002年 Wang 等人以調控鎘及鋅之比例來調控出放光波長介於 450~750 nm之量子點,同年,Peng 等人使用氧化鎘( CdO )取代具毒性之二甲基鎘作為前驅物,合成出不同形狀之硒化鎘量子點,藉由調控量子點之粒徑得到不同放光波長,主要介於 450~700 nm。

量子點應用
由於量子點具單一放光波長、高吸光係數、螢光週期長與光穩定性較佳等特性,不論應用於發光照明或為生物顯影,皆具極高潛力之價值。白色發光二極體( White Light-emitting Diodes; WLED )所需工作電壓較小、亮度高且不含重金屬汞,近年大力推廣其相關產品,用以取代傳統白熾燈達到節能減碳之效果。早期LED使用鈰摻雜之釔鋁石榴石螢光粉( Cerium-doped Yttrium Aluminum Garnet; YAG:Ce3+ ),混膠後點膠於GaN藍光晶片上,利用藍光波長激發YAG螢光粉產生黃光,再將黃光與藍光混合成白光,此技術為日亞化學公司之專利。為改進日亞化學技術缺乏紅光範圍導致效果較差之缺點,Xie等人使用紅色與綠色螢光粉混合藍光晶片發光,使LED產品色彩飽和度較佳。

無毒之III-V QDs合成方法介紹
磷化銦量子點另一合成方式為水熱法,此法為前驅物放入高壓釜(圖十)後,在高溫爐內經過長時間之恆溫加熱,完成後將取出之溶液利用溶劑進行粒徑篩選即可得所需之量子點,2010年 Byun 等人提出以較低毒性之磷化合物 P(N(CH3)2)3取代劇毒之磷化合物 P(TMS)3,此法可合成出粒徑分布很廣之量子點,故可在一次合成中得到多種放光位置及粒徑不同之量子點(圖十一),缺點為產率低與需長時間合成,故應用於大量生產並不容易。


圖十一、(a)水熱法所合成出之量子點不同放光位置之吸收譜;(b)、(c)穿透式電子顯微鏡下不同放光位置之量子點

磷化銦量子點之電激放光應用
磷化銦量子點之應用相當廣,2012年 Yang 等人以磷化銦量子點作為電激放光白光 LED 之放光材料,由圖十四(a)可知於 ITO 基板上分別鍍上 PEDOT:PSS/poly-TPD /紅色磷化銦量子點/ TPBi / LiF/Al 等材料,poly-TPD 這類有機材料在通電時會放出藍綠光,加上磷化銦量子點之紅光,便可混合出白光
……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:王宏嘉、劉如熹 / 台灣大學化學系
★本文節錄自「工業材料雜誌」341期,更多資料請見下方附檔。 


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