量子點發(fā)光原理詳解

量子點是把導帶電子、價帶空穴及激子在三個空間方向上束縛住的半導體納米結構。量子點，電子運動在三維空間都受到了限制，因此有時被稱為“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子點原子”，是20世紀90年代提出來的一個新概念。這種約束可以歸結于靜電勢（由外部的電極，摻雜，應變，雜質產生），兩種不同半導體材料的界面（例如：在自組裝量子點中），半導體的表面（例如：半導體納米晶體），或者以上三者的結合。量子點具有分離的量子化的能譜。所對應的波函數在空間上位于量子點中，但延伸于數個晶格周期中。一個量子點具有少量的（1-100個）整數個的電子、空穴或空穴電子對，即其所帶的電量是元電荷的整數倍。

半導體量子點的光學性質

量子點的發(fā)光原理與常規(guī)半導體發(fā)光原理相近，均是材料中載流子在接受外來能量后，達到激發(fā)態(tài)，在載流子回復至基態(tài)的過程中，會釋放能量，這種能量通常以光的形式發(fā)射出去。與常規(guī)發(fā)光材料不同的是，量子點發(fā)光材料還具有一下的一些特點。

發(fā)射光譜可調節(jié)

半導體量子點主要由ⅡB-ⅥA、ⅢA-ⅤA或者ⅣA-ⅥA族元素構成。尺寸、材料不同的量子點發(fā)光光譜處于不同的波段區(qū)域。如不同尺寸的ZnS量子點發(fā)光光譜基本涵蓋紫外區(qū)，CdSe量子點發(fā)光光譜基本涵蓋可見光區(qū)域，而PbSe量子點發(fā)光光譜基本涵蓋紅外區(qū)，如下圖所示。

常見量子點發(fā)光光譜分布區(qū)間

即使是同一種量子點材料，其尺寸的不同，其發(fā)光光譜也不一樣。以CdSe為例，如下圖所示，當CdSe顆粒半徑從1.35nm增加至2.40nm時，其發(fā)射光波長從510nm增加至610nm。

同尺寸CdSe量子點及其發(fā)光照片

寬的激發(fā)光譜和窄的發(fā)射光譜

能使量子點達到激發(fā)態(tài)的光譜范圍較寬，只要激發(fā)光能量高于閾值，即可使量子點激發(fā)。且不論激發(fā)光的波長為多少，固定材料和尺寸的量子點的發(fā)射光譜是固定的，且發(fā)射光譜范圍較窄且對稱。

較大的斯托克斯位移

量子點材料發(fā)射光譜峰值相對吸收光譜峰值通常會產生紅移，發(fā)射與吸收光譜峰值的差值被稱為斯托克斯位移。相反，則被稱為反斯托克斯位移。斯托克斯位移在熒光光譜信號的檢測中有廣泛應用。量子點的斯托克斯位移較常規(guī)材料而言要大。

量子點的發(fā)光原理

量子點的發(fā)光性質是由于電子、空穴以及它們周圍環(huán)境的相互作用而引起的，當激發(fā)能級超過帶隙時，量子點就會吸收光子使電子從價帶躍遷到導帶。量子點的紫外可見光譜有很多能級態(tài)，第一個看得見的峰稱為量子限制峰，是由最低能級態(tài)激發(fā)所產生。此外，很多電子狀態(tài)存在于更高能級水平，因此允許單一波長的光同時激發(fā)多顏色的量子點。

受量子尺寸效應的影響，半導體量子點的發(fā)光原理如圖3所示，當一束光照射到半導體材料上，半導體材料吸收光子后，其價帶上的電子躍遷到導帶，導帶上的電子還可以再躍遷回價帶而發(fā)射光子，也可以落入半導體材料的電子陷阱中。當電子落入較深的電子陷阱中的時候，絕大部分電子以非輻射的形式而猝滅了，只有極少數的電子以光子的形式躍遷回價帶或吸收一定能量后又躍遷回到導帶。

量子點LED 的發(fā)光形式

量子點是QLED發(fā)光的基本材料。實現QLED發(fā)光的主要有兩種形式：一是采用在GaN基LED中作為光轉換層，有效吸收藍光發(fā)射出波長在可見光范圍內精確可調的各色光;二是采用其電致發(fā)光形式，將其涂敷于薄膜電極之間而發(fā)光（見下圖）。