Què és una pantalla de punts quàntics (QLED)?

Què són els punts quàntics?

1.1 Concepte

Els punts quàntics són nanoestructures semiconductors que uneixen excitons en tres direccions espacials. Els punts quàntics són un important material semiconductor de dimensions baixes, i les seves tres dimensions no superen el doble del radi de Bohr de l'excitó (1-10 nm) del material semiconductor corresponent.

Els punts quàntics són generalment esfèrics o quasi esfèrics, i el seu diàmetre sovint oscil·la entre 2 i 20 nm, mentre que el diàmetre del nostre cabell és d'uns 100.000 nm (100 μm).

1.2 Característiques

Els punts quàntics són semiconductors de nanonivell. En aplicar un determinat camp elèctric o pressió lleugera a aquest material nano-semiconductor, emetran llum d'una freqüència específica i la freqüència de la llum emesa canviarà amb la mida d'aquest semiconductor. Per tant, ajustant la mida d'aquest nano-semiconductor, es pot controlar el color de la llum emesa. Com que aquest nano-semiconductor té la característica de limitar electrons i forats d'electrons (forat d'electrons), aquesta característica és similar als àtoms o molècules de la naturalesa. , Així anomenats punts quàntics.

Els punts quàntics són nanocristalls semiconductors. Quan la seva mida de partícules és menor que el radi de Bohr de l'excitó, el camí lliure mitjà dels electrons es limita a un rang reduït i és fàcil formar parells d'excitons amb forats. Les funcions d'ona dels electrons i els forats se superposen, donant lloc a una banda d'absorció d'excitons. Com més petita sigui la mida del punt quàntic, més gran és la probabilitat de formar excitons i més gran és la concentració d'excitons. Aquest efecte s'anomena efecte de confinament quàntic. L'efecte de confinament quàntic dels punts quàntics fa que el seu rendiment òptic sigui diferent dels materials semiconductors convencionals. La seva estructura de banda d'energia forma alguns nivells d'energia d'excitons a prop de la part inferior de la banda de conducció, donant lloc a bandes d'absorció d'excions, i la recombinació dels excitons produirà radiació de fluorescència. La mida dels punts quàntics és diferent, el grau en què els electrons i els forats estan confinats quàntics és diferent i les seves estructures de nivell d'energia discrets també són diferents.

A mesura que la mida de la partícula disminueix, el grau de confinament dels electrons i els forats augmenta, provocant un augment de l'energia cinètica dels dos, és a dir, un augment de l'energia de confinament quàntic, i la bretxa de banda efectiva del punt quàntic s'amplia, i es produeixen els corresponents espectres d'absorció i emissió. Per tant, ajustant la mida dels punts quàntics, es pot ajustar l'espectre d'emissió dels punts quàntics.

El nivell d'energia del punt quàntic es divideix a causa de l'efecte de confinament quàntic i la bretxa de la banda de semiconductors augmenta a mesura que la mida del nanocristall disminueix.

Les principals propietats dels punts quàntics

1.3 Preparació

1.3.1 Materials

Els punts quàntics comuns estan formats per elements IV, II-VI, IV-VI o III-V. Exemples específics són els punts quàntics de silici, els punts quàntics de germani, els punts quàntics de sulfur de cadmi, els punts quàntics de seleniur de cadmi, els punts quàntics de telurur de cadmi, els punts quàntics de seleniur de zinc, els punts quàntics de sulfur de plom, els punts quàntics de seleniur de plom, els punts quàntics de fosfur d'indi i els punts quàntics d'arsenid d'indi. punts, etc.

Els materials de punts quàntics utilitzats actualment inclouen principalment la sèrie de seleniur de cadmi (CdSe) i la sèrie de fosfur d'indi (InP). El primer és utilitzat principalment per QD Vision, el segon és utilitzat principalment per Nanoco i Nanosys utilitza punts quàntics híbrids de fosfur d'indi i cadmi. pla. Dos tipus de punts quàntics tenen els seus propis avantatges i desavantatges. El seleniur de cadmi és millor que l'alta eficiència lluminosa i una gamma de colors més àmplia. El fosfur d'indi no conté cadmi i no està restringit per l'estàndard ROHS de la UE.

1.3.2 Mètode de preparació

Els mètodes de fabricació de punts quàntics es poden dividir aproximadament en tres categories: mètode de creixement de la solució química, mètode de creixement epitaxial i mètode de confinament del camp elèctric. Aquests tres tipus de mètodes de fabricació també corresponen a tres tipus diferents de punts quàntics.

Creixement de la solució química

El 1993, un equip de recerca dirigit pel professor Bawendi de l'Institut Tecnològic de Massachusetts va sintetitzar per primera vegada punts quàntics de mida uniforme en una solució orgànica. Van dissoldre tres elements d'oxigen (sofre, seleni i tel·luri) en òxid de tri-n-octil fosfina, i després van reaccionar amb dimetil cadmi en una solució orgànica a 200 a 300 graus centígrads per produir el material de punts quàntics corresponent (sulfur de cadmi). , Selenur de cadmi, telurur de cadmi). Després d'això, la gent va inventar molts mètodes per sintetitzar punts quàntics col·loïdals sobre la base d'aquest mètode. La majoria de materials semiconductors es poden sintetitzar mitjançant mètodes de creixement de solucions químiques per produir els punts quàntics corresponents.

Els punts quàntics col·loïdals tenen els avantatges d'un baix cost de producció, un alt rendiment i una alta eficiència lluminosa (especialment a les bandes visible i ultraviolada). Però el desavantatge és que la conductivitat és extremadament baixa. Com que els lligands orgànics es generen a la superfície dels punts quàntics durant el procés de producció, l'atracció de van der Waals entre els punts quàntics es compensa per mantenir la seva estabilitat a la solució. Però aquesta capa de lligands orgànics dificulta molt la transferència de càrregues entre punts quàntics. Això redueix molt l'aplicació de nanocristalls a les cèl·lules solars i altres components. Els científics han provat diversos mètodes per augmentar la conductivitat de les càrregues elèctriques en aquest material. Representativament, el 2003, el professor Guyot-Sionnest de la Universitat de Chicago va substituir els lligands orgànics de cadena llarga originals per compostos amino de cadena més curta, va reduir l'espaiat dels punts quàntics i va injectar un gran nombre d'electrons als punts quàntics mitjançant mètodes electroquímics. A l'interior, la conductivitat augmenta a 0,01 S/cm.

Creixement epitaxial

El mètode de creixement epitaxial es refereix al creixement de nous cristalls sobre un material de substrat. Si els cristalls són prou petits, es formaran punts quàntics. Segons els diferents mecanismes de creixement, aquest mètode es pot subdividir en deposició química de vapor i epitaxia de feix molecular.

Els punts quàntics que creixen amb aquest mètode creixen en un altre tipus de semiconductor i es combinen fàcilment amb dispositius semiconductors tradicionals. A més, com que no hi ha lligands orgànics, l'eficiència de transferència de càrrega dels punts quàntics epitaxials és superior a la dels punts quàntics col·loïdals i el nivell d'energia és més fàcil de controlar que els punts quàntics col·loïdals. Al mateix temps, també té els avantatges de menys defectes superficials. Tanmateix, com que tant la deposició química de vapor com l'epitaxia del feix molecular requereixen un buit elevat o un buit ultra alt, el cost dels punts quàntics epitaxials és més gran que el dels punts quàntics col·loïdals.

Mètode de confinament del camp elèctric

El mètode de confinament del camp elèctric es refereix a l'ús total del potencial elèctric de l'elèctrode metàl·lic per distorsionar el nivell d'energia del semiconductor per formar una restricció als portadors. Com que la mida necessària dels punts quàntics és a nivell nanòmetre, l'elèctrode metàl·lic s'ha de fabricar mitjançant l'exposició al feix d'electrons. El cost és el més alt i el rendiment és el més baix. Tanmateix, els punts quàntics produïts per aquest mètode poden controlar el seu nivell d'energia, nombre de portadors i gir simplement ajustant la tensió de la porta. A causa de la controlabilitat extremadament alta, aquests punts quàntics també són els més adequats per a la informàtica quàntica.

1.4 Usos dels punts quàntics

02

Aplicació de visualització de punts quàntics

2.1 Història

A principis dels anys 70, a causa del desenvolupament de la tecnologia de creixement epitaxial de semiconductors, es va fer possible la preparació de nanoestructures. En primer lloc, es van sintetitzar i estudiar àmpliament nanoestructures bidimensionals de capa fina anomenades Quantum Wells (QW). Aquesta estructura de capa nanofina està formada per la disposició de dos materials semiconductors diferents. Els electrons i els forats estan confinats en una capa fina d'uns pocs nanòmetres de gruix, la qual cosa té un efecte de confinament evident. Ajustant la relació de composició, es pot canviar la bretxa de banda del pou quàntic.

El 2011, Samsung Electronics va produir díodes emissors de llum de punt quàntic utilitzant capes orgàniques i inorgàniques com a capes de transport d'electrons i forats de la capa emissora de llum de punts quàntics, respectivament. Mitjançant el model de la pel·lícula de punts quàntics pel mètode de transferència, Samsung Electronics ha produït un prototip de dispositiu de pantalla QLED de matriu activa a tot color de 4 polzades. Els investigadors de Samsung primer apliquen la solució de punts quàntics en una placa de silici, després s'evaporen i després premeu la part que sobresurt en una capa de punts quàntics. Després d'eliminar la capa superficial, es transfereix a un substrat de vidre o un substrat de plàstic. Aquest procés realitza el punt quàntic al substrat. Transferència. Els seus investigadors van dir que s'han utilitzat substrats de vidre o substrats de plàstic flexible per aconseguir la producció de prototips de pantalla.

Des del 2013, la tecnologia de visualització de punts quàntics s'ha aplicat als panells de pantalla de cristall líquid (LCD). Es munta una pel·lícula de punts quàntics entre el mòdul de retroil·luminació i la cèl·lula de cristall líquid i s'aplica a televisors i tauletes d'alta gamma de colors per aconseguir una gamma més àmplia de colors. Domini i menor consum d'energia.

Sony va llançar un model de televisió LCD de gamma alta que utilitza tecnologia de punts quàntics a la llum de fons el juny de 2013; Amazon també va llançar una tauleta que utilitza punts quàntics a la retroil·luminació LCD l'octubre de 2013.

2.2 Característiques de visualització dels punts quàntics

1. Alta puresa de color, pic d'espectre d'emissió estret i distribució simètrica;

2. L'espectre d'emissió és ajustable i la longitud d'ona d'emissió es pot canviar controlant la mida i el material dels punts quàntics, controlant així el color que emet llum;

3. Bon rendiment del color, que cobreix una gamma de colors superior al 100% NTSC;

4. L'eficiència lluminosa és alta, l'eficiència quàntica és tan alta com el 90% i l'estabilitat de la llum és bona;

5. Té el potencial de realitzar píxels de nivell nano, que es poden utilitzar per fabricar pantalles d'alta resolució.