量子點粒子材料合成與應用介紹

 

刊登日期:2016/5/5
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量子點材料與市場已被預期將有令人驚豔的成長,其中無鎘量子點儼然已為現今發展的重要趨勢,而量子點的改質與分散更為落實應用的技術門檻。目前量子點材料可發展於消費性電子、健康照護、與環境監測等領域,主要應用於低能耗、高演色性的顯示、照明、量子點太陽電池等。本文即對量子點粒子材料合成及其應用作一介紹。


圖一、量子點在顯示和其他應用的市場展望

量子點材料合成與製備
目前量子點多以鎘系如 CdS 和 CdSe 等量子點材料開發,因其具有高發光量子效率和極窄的半波寬(FWMH),是最先被使用及商品化的量子點。但鎘及其化合物的毒性問題與對環境的傷害令人擔憂,歐美國家陸續依照歐盟 RoHS 指令限用或禁用含鎘材料。因此,開發環境友善的無鎘量子點刻不容緩。

其中,磷化銦(InP)量子點在無鎘系列中表現最為突出,相較其他材料,磷化銦能達到較高的發光量子效率及較窄的半波寬,以下將針對磷化銦量子點的合成技術發展、困境及突破作介紹,同時包括放大合成技術、放光顏色控制技術、產率,以及改善晶格匹配與表面缺陷以提升量子效率等進行探討。

2. 無鎘量子點合成
2015年 C. Ippen 等人發表使用連續相方式合成磷化銦量子點,如圖三所示,利用馬達以及管線使前驅物流經 Microfluidic Reactors 成核,反應後持續前進至冷卻槽迅速降溫以控制粒徑,配合流動速率以及在反應管線行經的路徑長短,可精準控制反應時間和溫度,相較於傳統熱注射一鍋法造成粒徑不均勻性和尺寸分布過寬問題,連續相合成方式的可連續自動生產,半波寬可以控制在 45~55 nm,量子點的效率也提升至 45~60%,且在加壓的條件之下,可將反應溶劑由原先長碳鏈的十八烯換成甲苯,大幅降低溶劑使用的成本,並免去清洗反應器的困擾。



圖三、連續相合成系統

3. 工研院材化所無鎘量子點現況
工研院材化所在無鎘量子點合成設計上藉由化學反應的設計、參數的調整、以及 Seed 的引入,改善 Hot Injection 反應的限制,不同於注入時間較長的連續生產之量產方式,改善了連續生產方式不利於快速成核及 FWHM 變寬的缺點。且在提高前驅物時,半波寬仍可控制<60 nm、QY > 45%,並可以提高量子點的產率,達到量產的目標,以及縮短反應時間與反應物損失,具有環保與節能的優點。
 
量子點材料改質與分散
目前許多文獻除了針對量子點本身的合成學理探討與量子效率提升外,在落實量子點應用方面,量子點的分散性尤其重要,故針對量子點的界面活性劑或末端官能基亦有大量文獻探討。因量子點本身有晶格及表面缺陷的問題,一般以 Shell 包覆 Core 為手段,可在進行殼層包覆的同時,開發其表面修飾,達到高可容性與分散性的功效,減少 QD 加工成本,並達廣泛應用性。
 
量子點國際應用現況
量子點的應用,除了較廣為人知可利用光激發量子點發光應用在顯示器,尚有利用電激發使量子點放光的 QD-LED 以及利用光轉換成電的量子點太陽電池,與作為生醫領域的標靶追蹤藥物或感應器等應用,如圖八所示。近年來,量子點最受矚目的應用莫過於……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:梁凱玲、蘇育央、呂奇明  / 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。


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