量子點(diǎn)材料詳細(xì)分析

一、基本知識

1、概念：

1）量子點(diǎn)(QuantumDots，QD)是極其微小的無機(jī)液態(tài)納米晶體，由有限數(shù)目的原子組成，三個(gè)維度尺寸均在納米數(shù)量級，一般為球形或類球形，穩(wěn)定直徑在2~10 nm；

2）球形量子點(diǎn)多采用核殼結(jié)構(gòu)（如下圖），用無機(jī)包覆層對核表面進(jìn)行鈍化或包覆,形成的核/殼結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)量子點(diǎn)的抗光氧化能力、提高化學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性；

▲球形量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3）受到光的刺激時(shí)，量子點(diǎn)便會(huì)發(fā)出非常純凈的有色光線，光線的顏色由量子點(diǎn)的組成材料和大小形狀決定。一般顆粒越小，則會(huì)吸收長波發(fā)出藍(lán)色，顆粒越大，則會(huì)吸收短波發(fā)出紅色。

4）根據(jù)發(fā)光原理，量子點(diǎn)又分為光致發(fā)光量子點(diǎn)（QD-LCD）和電致發(fā)光量子點(diǎn)（QLED），前者是受到外界光源的刺激獲得能量而產(chǎn)生發(fā)光的過程，后者則是通過加在兩電極的電壓產(chǎn)生電場，被電場激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心，從而導(dǎo)致電子在能級間的躍遷變化而發(fā)光的過程；

2、材料特性：

(1) 量子點(diǎn)的發(fā)射光譜可以通過改變量子點(diǎn)的尺寸大小來控制；

(2) 量子點(diǎn)是無機(jī)材料，具有很好的光穩(wěn)定性；

(3) 量子點(diǎn)具有寬的激發(fā)譜和窄的發(fā)射譜，可以滿足超高色域的需求；

(4) 量子點(diǎn)的熒光壽命長(20ns一50ns) ；

(5) 量子點(diǎn)的表面缺陷大導(dǎo)致其穩(wěn)定性差；

▲量子點(diǎn)材料粒徑及對應(yīng)發(fā)光顏色

▲紅色量子點(diǎn)材料發(fā)射與激發(fā)譜線圖

▲綠色量子點(diǎn)材料發(fā)射與激發(fā)譜線圖

二、行業(yè)相關(guān)應(yīng)用訊息

1、量子點(diǎn)材料

a、量子點(diǎn)材料大多為量子點(diǎn)試劑，粉體類量子點(diǎn)有產(chǎn)家在研發(fā)、制備，但目前未能商業(yè)化。

b、目前商用量子點(diǎn)多為Cd量子點(diǎn)，因?yàn)楹珻d體系較無Cd體系發(fā)光效率、光轉(zhuǎn)換率高。在實(shí)際生活中，依據(jù)歐美ROHS標(biāo)準(zhǔn)鎘基量子點(diǎn)材料依然被限制使用，不過歐美ROHS標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)也規(guī)定了，在鎘含量低于0.001%時(shí)存在豁免情況。

c、目前量子點(diǎn)作為一種新型材料，成本高。

2、量子點(diǎn)的應(yīng)用

量子點(diǎn)在應(yīng)用上的方式主要有兩種：量子點(diǎn)玻璃管、量子點(diǎn)膜，前者的代表廠商有QD Vision，后者的代表廠商有3M、Nanosys。

▲量子點(diǎn)材料應(yīng)用示意圖

A、量子點(diǎn)玻璃管

1）量子點(diǎn)玻璃管是QD Vision開發(fā)的一種將紅色和綠色量子點(diǎn)熒光粉的聚合物混合在密封的玻璃管中的技術(shù)；

2）2013年1月，索尼首次應(yīng)用此技術(shù)于TriluminosHDTV系列電視的商業(yè)應(yīng)用中；

3）玻璃管的直徑一般為4x2毫米，類似操場的跑道，玻璃管中填充的是量子點(diǎn)熒光粉的混合物，厚度一般為0.7毫米左右，如右圖所示；

4）一般一個(gè)55英寸的電視需要用到1-2毫克的量子點(diǎn)與藍(lán)色LED搭配使用；

5）2010年，QD Vision的競爭對手Nanosys與LG Innotek合作開發(fā)了一個(gè)類似上述玻璃管的設(shè)計(jì)，名為“量子軌道”，并在2011年拉斯維加斯國際消費(fèi)電子展上獲得獎(jiǎng)項(xiàng)，但該設(shè)計(jì)從未被采用在商業(yè)應(yīng)用中。

B、量子點(diǎn)膜

1）量子點(diǎn)膜（QD Enhancement Films，簡稱QDEF ）是一種將量子點(diǎn)熒光粉與聚合物混合均勻后制成膜片中的技術(shù)，厚度一般在100um左右；

2）此技術(shù)由Nanosys與3M合作開發(fā)，2014年， Nanosys還獲得了LMS公司(韓國)的許可生產(chǎn)類似的的膜片，命名為“Quantum Light AccumulationSystem”，簡稱QLAS；

▲量子點(diǎn)膜片示意圖

3、量子點(diǎn)材料應(yīng)用難點(diǎn)

① 量子點(diǎn)材料對水、氧、熱的低耐受性：在核殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)材料中，表面配體在維護(hù)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保持量子點(diǎn)高效發(fā)光具有重要的作用。但是受光熱水氧等不良因素影響，量子點(diǎn)表面的配體可能會(huì)出現(xiàn)脫落或由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而失效的現(xiàn)象。當(dāng)受光照或者加熱時(shí)，由于配體的內(nèi)能增加，原子運(yùn)動(dòng)加劇，配體從量子點(diǎn)表面脫落，或者配體斷裂的概率大大增加。水氧條件下，量子點(diǎn)表面配體會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，從而影響量子點(diǎn)材料的發(fā)光穩(wěn)定。量子點(diǎn)的不穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：熒光發(fā)射強(qiáng)度降低，峰位移動(dòng)與半峰寬變寬。這些多種因素導(dǎo)致的不穩(wěn)定性，會(huì)大大影響量子點(diǎn)在器件中的應(yīng)用。既要阻水隔氧，又要保證溫度的事宜，這對器件的封裝提出了很高的要求。

② 量子點(diǎn)材料的團(tuán)聚：在應(yīng)用的過程中，量子點(diǎn)的團(tuán)聚也是影響量子點(diǎn)發(fā)光的重要原因。由于量子點(diǎn)發(fā)光的原理是量子限域效應(yīng)，僅在量子點(diǎn)體積較小的時(shí)候，才能夠保持穩(wěn)定的發(fā)光特性。當(dāng)量子點(diǎn)團(tuán)聚的時(shí)候，會(huì)改變量子點(diǎn)的尺寸，從而使量子點(diǎn)猝滅失效。

所以，在應(yīng)用的過程中如何使量子點(diǎn)材料維持相對穩(wěn)定的光學(xué)性能時(shí)目前迫切需要解決的問題。

結(jié)語

量子點(diǎn)材料具有寬的激發(fā)譜、窄的發(fā)射譜、色純度高、光穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)超高色域的極佳匹配方案，但在應(yīng)用中同時(shí)也需要解決水、氧、熱等因素以及團(tuán)聚對量子點(diǎn)材料光性能影響問題。近年來各大廠商也陸續(xù)關(guān)注并致力于量子點(diǎn)材料的研發(fā)與應(yīng)用，我司也于今年加強(qiáng)了量子點(diǎn)方面的封裝與應(yīng)用研發(fā)，產(chǎn)品涵蓋常規(guī)電視背光、MINI-LED背光與顯示以及藍(lán)轉(zhuǎn)色光等方面，相信不久的將來，我們所期待的應(yīng)用量子點(diǎn)材料的產(chǎn)品將陸續(xù)呈現(xiàn)在大眾的眼前。