量子點效率與衰退機制回顧

 

刊登日期:2016/5/5
  • 字級

影響量子點的效率主要在於減少晶格排列的錯位或缺陷,核/殼材料的晶系、能階及化性等搭配都會影響量子點的缺陷生成。其中 CdSe/ZnS 的搭配較好,而 InP/ZnS 則在晶系與化性上皆不合。非氧化性光衰,主要肇因於材料的缺陷加上 Auger 現象,使高能階的 Auger 電子到達缺陷處,並被侷限,不易返回核材料,伴隨發光波長紅移,為一可逆現象。光氧化性光衰,機制近似非氧化性光衰,差異僅在於被侷限的電子是與外界氧氣反應,為一不可逆現象,伴隨發光波長藍移,顯示核材料因反應而縮小。水分子在某些文獻討論中,具有穩定侷限電子的功效,可使被侷限的電子返回核材料,再結合放光,提昇放光效率,CdSe 與 InP 皆有觀察到氧化的現象。
 
量子效率影響因素
1. 量子點核/殼材料晶格搭配
常見的量子點核/殼材料的結晶性質整理如表一所示。其中,CdSe 材料有三種結晶排列,分別是 Wurtzite(纖鋅礦,He- xagonal)、Zincblende(閃鋅礦,Cubic)以及 Rock-salt (Cubic)這三種結晶形態,其結構如圖一所示。一般認為,合成出來的CdSe為Wurtzite晶系,而InP則為Zincblende晶系。

圖一 (a)Wurtzite、(b)Zincblende與(c)Rock-salt三種結晶結構
 
2. 量子點核/殼材料能階搭配
核/殼結構除了借助殼層材料來阻絕外界影響及避免缺陷外,還希望藉由能階的差異,將電子/電洞限制在核中。常見的結構與材料如圖四所示。Type I 為理想的能階搭配,殼材料的 HOMO/LUMO 都超過核材料的範圍,電子/電洞可被侷限在核中,穩定地再結合發光。而 Type II,則會使電子或電洞,有一方跑到殼層材料上,並減少放光性的再結合,降低量子效率。從材料的能階圖可以看到,對於常見的 InP 或 CdSe 量子點,ZnS 都適合拿來做為其殼層材料,也都會形成 Type I 的形式。


圖五、CdTe/ZnSe 核/殼材料間(a)壓縮與拉伸結構;(b)能階放光的關係
 
3. 量子點核/殼材料化性搭配
常見的核材料 CdSe、CdS、CdTe 等與殼材料 ZnS、ZnSe 等,因皆是元素週期表上 IIB 族與 VIA 族的搭配,化學性質接近,所以在化學合成步驟中,核/殼間界面有機會因化性相同,而可有效率的填滿核的錯位或缺陷。而無毒材料 InP 則是 IIIA-VA 的材料,與 ZnS 的 IIB-VIA 族,化性並不相同,殼層材料恐不易附著於核材料上,更遑論填補錯位或缺陷。所以,文獻曾經報導 TEM 照片,說明 InP 核表面,僅部分覆蓋了 ZnS,並非完整一個球殼包覆,如圖六所示。
 
壽命影響因素
在 QD 文獻報導中,時常可以發現 QD 材料的發光衰減,並且伴隨發光光譜紅移或藍移的兩種現象。這兩種現象,源於不同的光衰機制,我們整理如下。
1. 非氧化性光衰
文獻中發現,CdSe/ZnS 與 CdS 量子點,在真空中與空氣中,量子點放光變化有不同的表現。在真空中,量子點會發生亮度衰減與波長紅移的情形,如圖八與圖九所示。同樣的情形,也發生在InP量子點上,具有殼層的 InP/ZnS 量子點比起無殼的 InP 量子點,放光時具有更佳的熱穩定性,但是同樣具有放光波長紅移的情形,如圖十所示。這種伴隨著放光波長紅移的光衰機制,通常來自於……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:廖鎔榆 /工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」353期,更多資料請見下方附檔。


分享
為此篇文章評分

相關廠商