簡介膠態II-VI族厚殼量子點及其在電致發光上之應用

刊登日期:2016/5/5
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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。


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