科普：什麼是量子點顯示？

顯示技術，五花八門，種類繁多，什麼TFT-LCD，OLED，Micro LED，Micro OLED，QLED……傻傻分不清楚。

那我們今天就來理一理，這期先說量子點顯示（QLED）。

1.什麼是量子點？

1.1概念

量子點（quantum dot）是把激子在三個空間方向上束縛住的半導體納米結構。量子點是一種重要的低維半導體材料，其三個維度上的尺寸都不大於其對應的半導體材料的激子玻爾半徑（1-10nm）的兩倍。

量子點一般為球形或類球形，其直徑常在2-20 nm之間，而我們頭髮的直徑約有100000nm（100μm）。

1.2特性

量子點是一種納米級別的半導體，通過對這種納米半導體材料施加一定的電場或光壓，它們便會發出特定頻率的光，而發出的光的頻率會隨著這種半導體尺寸的改變而變化，因而通過調節這種納米半導體的尺寸就可以控制其發出光的顏色，由於這種納米半導體擁有限制電子和電子空穴（Electron hole）的特性，這一特性類似於自然界中的原子或分子，因而被稱為量子點。

量子點作為半導體納米晶，當其粒徑小於激子波爾半徑時，電子的平均自由程被侷限在很小的範圍內，很容易與空穴形成激子對。電子與空穴的波函數發生重疊，因而產生了激子吸收帶。量子點尺寸越小，形成激子的概率越大，激子濃度越高，這種效應稱為量子限域效應。量子點的量子限域效應使得它的光學性能不同於常規半導體材料，其能帶結構在靠近導帶底處形成一些激子能級，產生激子吸收帶，而激子的複合將會產生熒光輻射。量子點的尺寸不同，電子和空穴被量子限域的程度不同，其分立能級結構也有差別。

隨著顆粒尺寸的減小，電子和空穴的受限程度增大，導致二者的動能增加即量子限域能增大，量子點的有效帶隙增寬，相應的吸收光譜和發射光譜發生藍移，並且尺寸越小，藍移程度越大。所以，通過調節量子點的尺寸，量子點的發光光譜可調。

量子點能級的分裂由於量子限域效應，半導體帶隙隨著納米晶尺寸的減小而增大。

量子點主要性質:

1.3製備

1.3.1材料

常見的量子點由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素組成。具體的例子有硅量子點、鍺量子點、硫化鎘量子點、硒化鎘量子點、碲化鎘

目前使用的量子點材料主要有硒化鎘（CdSe）系列和磷化銦（InP）系列，前者主要由QD Vision所採用，後者主要由Nanoco採用，而Nanosys採用磷化銦和鎘混合量子點方案。兩種量子點各有優劣，硒化鎘勝在發光效率高、色域表現力更為寬廣；磷化銦則由於不含鎘，不受歐盟ROHS標準的限制。

1.3.2製備方法

量子點的製造方法可以大致分為三類：化學溶液生長法，外延生長法，電場約束法。這三類製造方法也分別對應了三種不同種類的量子點。

化學溶液生長法

1993年，麻省理工學院Bawendi教授領導的科研小組第一次在有機溶液中合成出了大小均一的量子點。他們將三種氧族元素（硫、硒、碲）溶解在三正辛基氧膦中，而後在200到300攝氏度的有機溶液中與二甲基鎘反應，生成相應的量子點材料（硫化鎘，硒化鎘，碲化鎘）。之後人們在此種方法的基礎上發明出了許多合成膠狀量子點的方法。大部分半導體材料都可以用化學溶液生長的方法合成出相應的量子點。

膠狀量子點具有製作成本低，產率大，發光效率高（尤其是在可見光和紫外光波段）等優點。但缺點是電導率極低。由於在生產過程中在量子點表面產生有機配體，抵消量子點之間的范德瓦耳斯吸引力，以維持其在溶液中的穩定性。但這層有機配體極大的阻礙了電荷在量子點之間的傳輸。這點大大降低了納米微晶在太陽電池和其它的元件上的應用。科學家們曾嘗試用各種方法提高電荷在這種材料中的傳導率。有代表性的是2003年芝加哥大學的Guyot-Sionnest教授用較短鏈的氨基物取代原有的長鏈的有機配體，將量子點間距縮小，並用電化學的方法將電子大量注入量子點內，將電導率提高到了0.01S/cm。

外延生長法

外延生長法是指在一種襯底材料上長出新的結晶，如果結晶足夠小，就會形成量子點。根據生長機理的不同，該方法又可以細分成化學氣相沉積法和分子束外延法。

這種方法生長出的量子點長在另一種半導體上，很容易與傳統半導體器件結合。另外由於沒有有機配體，外延量子點的電荷傳輸效率比膠體量子點高，並且能級也比膠體量子點更容易調控。同時，也具有表面的缺陷少等優點。然而，由於化學氣相沉積和分子束外延都需要高真空或超高真空，因此相比於膠體量子點，外延量子點的成本較高。

電場約束法

電場約束法是指，完全利用調控金屬電極的電勢使半導體內的能級發生扭曲，形成對載流子的約束。由於量子點所需尺寸在納米級別，因此金屬電極需要用電子束曝光的方法制作。成本最高，產率也最低。但用這種方法制作出的量子點，可以簡單通過調控門電壓控制其能級，載流子的數量和自旋等。由於極高的可控性，這種量子點也最適合於用作量子計算。

1.4量子點的用途

2.量子點顯示的應用

2.1歷史

20世紀70年代早期，由於半導體外延生長技術的發展，使得納米結構的製備成為可能。首先，被稱為量子阱（Quantum Wells,QW）的薄層二維納米結構被合成出來，並被廣泛研究。這種納米薄層結構由兩種不同的半導體材料相間排列形成，電子和空穴被限制在幾納米厚度的薄層中，具有明顯的限域效應。通過調整組成成分比例，量子阱的禁帶寬度（Band Gap）可以發生改變。

2011年，三星電子以有機層和無機層，分別作為量子點發光層的電子和空穴傳輸層，製備得到了量子點發光二極管。通過轉印法對量子點薄膜圖形化，三星電子公司製作了4英寸全綵有源矩陣QLED顯示器件原型產品。三星研究人員首先將量子點溶液塗在硅板上，然後蒸發，再將突起部分進行壓制成量子點層，去掉表層後轉壓到玻璃基板或塑料基板上，該過程就實現了量子點到基板的轉移。其研究人員表示已經使用玻璃基板或可彎曲塑料基板實現了顯示屏原型機的生產。

從2013年開始，量子點顯示技術應用於液晶顯示器（LCD）面板，在其背光模塊與液晶盒之間裝配量子點薄膜，並應用於高色域電視、平板電腦上，獲得了更廣的色域和更低的功耗。

索尼在2013年6月推出了在背光源中採用量子點技術的液晶電視高端機型；亞馬遜也於2013年10月推出了液晶屏背光源採用量子點的平板電腦。

美國專利和商標局2014年初通過了一項蘋果在2012年申請的被稱為“擁有分色濾光器的量子點增強顯示器”專利，專利中詳細介紹了量子點技術，以及這種技術如何應用在像iPhone這樣的移動設備上。

2017年3月，京東方研製出的5英寸主動式電致量子點發光顯示產品（AMQLED），是其主持承擔的科技部國家重點研發計劃“量子點發光顯示關鍵材料與器件研究”項目的成果。該產品直接採用噴墨打印工藝製備電致量子點發光器件（QLED）實現全綵顯示，色域超過100％。

2.2量子點顯示的特性

1、色純度高，發光譜峰較窄且分佈對稱；

2、發射光譜可調，通過控制量子點尺寸和材料可改變其發射波長，進而控制發光顏色；

3、色彩表現力好，覆蓋的色域大於100%NTSC；

4、發光效率高，量子效率高達90%，光穩定性好；

5、具有實現納米級像素的潛力，可用於製造超高分辨率屏幕。

2.3量子點顯示的應用

量子點在顯示技術領域的應用主要包括兩個方面：

基於量子點電致發光特性的量子點發光二極管顯示技術（Quantum Dots Light Emitting Diode Displays,QLED）；基於量子點光致發光特性的量子點背光源技術（Quantum Dots-Backlight Unit,QD-BLU）。

而目前市場上出售的所謂的“量子點電視”，均是搭載了量子點膜的液晶電視，其本質仍為液晶電視。

2.3.1量子點背光源技術（QD LCD）

量子點背光源技術主要分為管式量子點背光源和薄膜式量子點背光源，前者主要由美國的QD Vision生產，稱為Color IQ光學元件；後者主要由美國的Nanosys公司生產，稱為QDEF薄膜。納晶科技的量子點可以同時生產兩種量子點背光源元件。

由於三色光由藍光直接轉換而來，量子點背光源相比普通LED背光具有更高純度的三基色，通過調整量子點材料大小分佈，可以是創造出更真實、更均衡的色彩表現。

2.3.2量子點發光二極管顯示技術（QLED）

QLED全稱是“Quantum Dot light Emitting Diode”，即量子點發光二極管，又名量子屏顯示技術，其原理是將量子點層置於電子傳輸和空穴傳輸有機材料層之間，外加電場使電子和空穴移動到量子點層中，電子和空穴在這裡被捕獲到量子點層並且重組，從而發射光子。通過將紅色量子點、綠色量子點和藍光熒光體封裝在一個二極管內，實現直接發射出白光。

QLED元件是層疊結構，包括玻璃基板、空穴注入層、空穴傳輸層、量子點發光層、空穴阻擋層、電子傳輸層等。其結構與OLED相似，主要不同在於QLED的發光材料為無機量子點材料，而OLED採用有機材料。QLED具有主動發光、發光效率高、響應速度快、光譜可調、色域寬廣等特點，而且比OLED性能更加穩定，壽命更長。

2.4量子點顯示產業鏈

量子點顯示產業鏈從上游到下游依次為上游量子點材料和阻隔膜、中游量子點膜和下游量子點電視：

• 量子點材料和阻隔膜供應商：負責量子點材料和阻隔膜的設計和生產，代表性公司Nanosys和3M；

• 量子點膜公司：完成量子點光學膜的塗布和複合工藝，代表性公司3M、激智科技；

• 終端電視廠（代工廠）：負責量子點電視的設計、生產和銷售。

2.5生產工藝

QLED器件製造方法是通過生產納米級量子點薄層的工藝，將不同顏色量子點混合或分層堆疊在一起，使其發射的不同光線混合成白光。

早期QLED通過有機/無機混合結構將藍光量子點、綠光量子點和紅光量子點混合在單個薄層裡。通過調節白光光譜，在其CRI值為86時，外量子效率（EQE）達到最大值0.36%。

將量子點按照設計的排列方式進行塗覆是製作量子點顯示設備的必要工藝，現在比較成熟的QLED器件製備技術有相分離技術、噴墨打印技術、轉印技術。

1、相分離技術

相分離法的原理是將量子點和溶劑混合，使用旋塗技術在薄膜上形成單層量子點，再利用不同材料熔點不同的性質，通過加熱使得溶劑分離，從而製成QLED器件。相分離法的優點是適合製備大面積有序膠體單層量子點，而且通過控制溶液濃度、量子點尺寸和形狀等可以製成高效率、高色彩飽和度的QLED。缺點是由於使用旋塗技術，只能製備單色顯示屏。

2、噴墨打印技術

噴墨打印技術是用納米級的噴頭將把量子點溶劑打印到基底材料表面。因為量子點材料具有尺寸細小、可溶性好等特性，適合採用印刷工藝，噴墨打印技術具有工藝簡單、成本低、方便製備發光圖案、可製作柔性器件、適合大尺寸器件製備等優勢。目前國內外對相關技術具有掌握，如QD Vision利用噴墨打印技術實現批量生產大面積QLED顯示屏，國內中科院蘇州納米所也已成功實現噴墨打印製備電致發光量子點器件，成品粗糙度低於2.2nm，達到了旋塗工藝的精度，在低於9V的電壓驅動下，發光亮度超過4000cd/m²。

3、轉印技術

轉印技術是利用有圖案的硅片製成類似“墨水印章”，然後用“印章”通過分子間作用力（範德華力）“吸取”合適的量子點，無需溶劑即可將其印壓在薄膜基片上，基片上平均每平方釐米約含3萬億個量子點。轉印技術解決了噴墨打印技術可能出現有機溶劑汙染顯示器的問題，製造的顯示器密度和量子一致性更高，顯示器畫面更明亮、更節能，並且適用於可捲曲便攜式顯示器、柔性發光設備、光電設備等領域。

凹版轉印工藝適用於生產高分辨率屏幕，這種轉移印刷工藝利用凹雕溝槽來產生像素尺寸受控且均勻的全色量子點陣列，其可實現每英寸2460像素（ppi）的分辨率。用該工藝製造的顯示器件發光峰度為14000 cd / m²，外量子效率（EQE）為2.3％。

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