(完整word版)量子点LED专题报告

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量子点LED专题报告

一、什么是量子点LED?

量子点LED是把有机材料或者LED芯片和高效发光无机纳米晶体结合在一起而产生的具有新型结构的量子点有机发光器件。相对于传统的有机荧光粉,量子点具有发光波长可调(可覆盖可见和近红外波段)、荧光量子效率高(可大于90%)、颗粒尺寸小、色彩饱和度高、可低价溶液加工、稳定性高等优点,尤其值得注意的是高色纯度的发光使得其色域已经可以超过HDTV标准色三角。因此基于量子点的发光二极管,有望应用于下一代平板显示和照明。表征量子点的光电参数:

1、光致发光谱(PL谱):光致发光谱反映的是发射光波长与发光强度的关系。从PL谱上可以得到发光颜色的单色性、复合发光的机制、量子点的颗粒尺寸大小及分布均匀性、本征发射峰波长等基本光学信息。量子点光致发光谱的半高宽越窄,说明量子点的发光单色性越好,器件的缺陷和杂质复合发光越少。

2、紫外可见吸收谱:量子点的紫外可见吸收谱反映的是量子点对不同波长光的吸收程度,从谱中吸收峰的位置可计算出量子点的禁带宽度。量子点吸收谱的第一吸收峰与光致发光谱的发射峰的偏移是斯托克斯位移,斯托克斯位移越大,

量子点的自吸收越弱,量子点的荧光强度越高。

3、光致发光量子产率:量子点溶液的光致发光量子产率是通过与标准荧光物质(一般用罗丹明6G)的荧光强度对比而测出。量子点高的量子产率能有效提升器件的发光效率,但纯核量子点沉积成薄膜后量子产率将比在溶液中的量子

产率下降1到2个数量级。量子点也存在荧光自淬灭现象,这是由存在于不均匀尺寸分布的量子点中的激子通过福斯

特能量转移到非发光点进行非辐射复合所引起。

二、量子点LED在照明显示中的应用方案量子点的发射峰窄、发光波长可调、荧光效率高、色彩饱和度好,非常适合用于显示器件的发光材料。量子点LED在照明显示领域中的应用方案主要包括两个方面:a、基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术(QD-BLU,即光致量子点白光LED);b、基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管技术(QLED)。

(一)量子点背光源技术量子点背光源技术即光致量子点白光LED,是基于量子点光致发光特性的背光源技术。

(1)量子点背光源技术的基本原理量子点光致发光(PL)原理:量子点层在外界光源下获得能量,电子吸收激发光光子的能量从价带跃迁至导带。导带底的电子和价带顶的空穴可以产生带边复合发光,一部分电子与空穴则被比较浅的杂质能级所捕获,被杂质能级俘获的电子和空穴可以直接复合

产生发光或者向更深的缺陷跃迁。带边发射才是器件发光的主要机制,缺陷和杂质复合发光会影响量子点发光的纯色性光致量子点白光LED有大致两种实现方案:

1、颜色转换颜色转换机制是将蓝光LED芯片与绿光、红光量子点相结合制备量子点白光LED。相较颜色混合产生白光-适当混合各色量子点的电致发光,颜色转换产生白光是LED 芯片发出的蓝光部分被量子点吸收转变成绿光和红光,利用RGB原理与剩余蓝光复合形成白光。

2、直接白光直接白光机制是指发光层中只有一种发光量子点,经紫外LED芯片发出的紫外光激发发出不止一种颜色的光,然后直接复合产生白光。颜色混合和颜色转换产生白光的机制都涉及几种颜色光之间混合平衡的问题,各色光不匹配会严重影响白光LED的出光质量。因此,人们对直接发射白光的荧光体用于固态照明产生了极大的兴趣。由于直接白光量子点的发光多数有表面缺陷参与,因此效率较低,要实现直接白光量子点的最终应用,提高发光效率是研究的关键。

(2)量子点背光源技术的实际应用量子点背光源技术在实际中的应用是将蓝光LED芯片与量子点材料结合起来来取代传统液晶面板的背景光源-白光LED,由此制成的液晶面板也称为量子点LCD。

在液晶显示屏中封装量子点的方法有三种,第一种是直接将

量子点材料放在蓝色LED芯片上的“On-Chip”方式,第二种是将量子点密封在细玻璃管中并安装在背照灯导光板的LED光入射口的“On-Edge”方式,第三种是将薄膜之间夹有量子点的片状材料贴在导光板与液晶面板之间的

“On-Surface”方式。

2、美国QDVision公司的设计方案QDVision公司认为量子点原材料可用于市场规模巨大的液晶显示器,推广“色彩更为鲜艳”的量子点液晶电视。以42英寸电视为例计算每年需要约100吨量子点材料,为了应对市场迅速崛起的有效方法是将量子点材料设置在导光板入口(“On-Edge”方式)而非导光板与液晶面扳之间(“On-Surface”方式),采用该方法的量子点材料的使用量只有采用On-Surface方式时的

1/50,并且可以使用便宜且稳定的玻璃管来封装量子点材料,有很大的成本优势。另外将量子点材料设置在LED芯片表面的“On-Chip”方式虽然可以将年产量削减至万分之一(10kg/年),但考虑到LED的发热问题,选用“On-Edge”方式最为稳妥。

索尼在2013年1月的国际消费电子产品展(CES)展示了配备QDVisions公司量子点光学材料“ColorIQ”的液晶电视,这款液晶电视命名为“Triluminos”,色域NTSC比由原来的70%提高到了100%,采用了QDVision公司的量子点技术,可获得与有机EL同等的色彩表现力。

3、英国Nanoco的设计方案英国量子点材料供应商Nanoco 在无镉技术方面与陶氏化学合作,布局量子点市场。目前该公司的核心技术—完全不含毒性元素镉(Cd)的“CFQD”(无镉量子点)的产量还仅限于每年几千克的水平,还不足以满足以液晶面板为中心日益扩大的市场需求。为了建立起大规模生产体制,该公司与陶氏化学签订了排他性授权协议,目的是利用陶氏化学在化学领域的生产能力和供应链,为今后的市场扩大做准备。合作双方所使用的技术是将薄膜之间夹有量子点的片状材料贴在背照灯与液晶面板之间的“On-Surface”方式。鉴于量子点材料的稳定性和容易嵌入液晶面板的特性,采用了On-Surface方式的目是赢得市场。(二)量子点发光二极管技术

量子点发光二极管技术即QLED技术,是基于量子点电致发光特性的一种新型LED制备技术,是真正意义上的量子点发光二极管。而基于量子点的背光源技术,其实质是量子点LCD即量子点加液晶面板,是对现有LCD的一种改良,并不是真正意义上的QLED。

(1)QLED技术的基本原理量子点电致发光(EL)原理:QLED电致发光一般归咎于直接的载流子注入复合、Forster 共振能量转移或二者共同的作用。电子和空穴注入后,实现电致发光的途径有以下两种:a、电子和空穴直接注入到同一个量子点,在量子点中实现辐射复合发光;b、在有机物中

注入电子和空穴形成激子,然后以Forster共振能量转移形式将能量转移给量子点,在量子点中产生一个激子即电子-空穴对,最后电子-空穴对复合发出光子。这两种途径同时存在,可以使QLED的发光效率最大化。

(2)QLED四种基本结构类型自从电致驱动QLED1994年发明以来,器件经历了四种结构的发展和变化,其亮度和外量子效率得到很大地提高。

1、TypeI:以聚合物作为电荷传输层该结构以聚合物为载流子传输层,是最早的QLED器件结构,其典型的器件结构是将包含CdSe纯核量子点和聚合物双层或二者的混合物,包夹于两电极间。该结构由于使用了低量子产率的纯核CdSe,且存在明显的聚合物内寄生的电致发光,所以器件具有较低的外量子效率(EOE)和较小的最大亮度。

2、TypeII:以有机小分子作为电荷传输层2002年Coe等人提出了将单层量子点与双层OLED结合的TypeII型QLED

器件结构,以有机小分子材料作载流子传输层。该结构使在OLED的基础上,加入单层的量子点层能使通过有机层的载流子传输过程和发光过程分离开来,提高了OLED的外量子效率。

将OLED结构与量子点单层结合,让人们看到了提高QLED 效率的希望。这种结构器件既具有OLED的全部优点,同时又可以改善器件的光谱纯度和实现发光颜色的调谐。但是有

机层的使用导致器件在空气中的稳定性下降,如同传统的OLED一样,这种结构的QLED需要进行封装,从而提高了制作成本和限制了柔韧性。除此之外,有机半导体材料本身的绝缘性,限制了器件电流密度的进一步优化,进而限制了器件的发光亮度,并且有机半导体材料的发光光谱较宽,也不利于优化器件的色彩纯度。

3、TypeIII:全无机载流子迁移层与TypeII结构类型相比,该结构类型是以无机载流子传输层替代有机载流子传输层。这大大提高了器件在空气中的稳定性,并使器件能够承受更高的电流密度。Caruge等人用溅射法,以氧化锌锡和氧化镍分别作为电子和空穴传输层制备出全无机的QLED,该器件能承受的最大电流密度达到了4Acm-2,但外量子效率小于0.1%。器件效率不高归因于在溅射氧化物层时造成了量子点破坏,载流子注入不平衡和量子点被导电金属氧化物包围时产生的量子点荧光淬灭。

4、TypeIV:有机空穴传输层与无机电子传输层混合TypeIV 结构类型采用有机和无机混合载流子传输层制作QLED器件,该结构一般以N型无机金属氧化物半导体作为电子传输层,以P型的有机半导体作为空穴传输层。混合结构的QLED 外量子效率高,同时具有高亮度。其中Qian等人报道了外量子效率分别为1.7%,1.8%,0.22%,最大亮度分别为31000cdm-2,68000cdm-2,4200cdm-2的红、绿、蓝混合结

构QLED。

近期利用TypeⅣ这种混合结构,人们研制出了4英寸

QD-LED彩色显示器,采用微接触印刷技术,使用溶液化QLED彩色显示器的分辨率达到了1000ppi(像素尺寸为25μm)。

与TypeII结构类型相比,TypeIII和TypeIV结构类型使用的量子点薄膜厚度超过了一个单层达到50nm。因此TypeIV结构类型的工作机制偏重于载流子注入机制,而不是Forster

能量转移机制。

(3)QLED器件制备方法QLED器件制备方法中,已经被成功证明的制备技术包括相分离技术、喷墨技术和转印技术三种。

1、相分离技术相分离技术可以很好地制备大面积有序胶体单层量子点。量子点薄膜可以通过利用旋涂法从有机芳香族材料与脂肪族材料的量子点混合溶液中制备,在溶剂烘干时,两种不同材料分离,在有机半导体表面形成期望的单层量子点。这种方法可靠、灵活,同时可以精确地控制,重复性好。溶液浓度、溶液比例、量子点尺寸分布以及量子点的形状都会影响薄膜的结构。控制好这些因素可以获得高效率、高色彩饱和度的QLED。然而由于这种方法采用旋涂法,因此它只能制备单色显示屏。

2、喷墨技术对全色显示来说,希望找到一种能够制作单层

量子点图案的制备工艺,同时不会对材料与器件结构有更多的要求,而喷墨工艺就是符合这些条件的制备技术。喷墨技术就是用微米级的打印喷头将制备好的有待殊功能的“墨水”喷涂在预先已经图案化了的ITO衬底上形成像素单元。利用喷里法能精确控制量及位置的按需分配,可降低生产成本,还能实现大面积大尺寸显示。

3、转印技术转印技术是首先将量子点溶液涂在硅板上,然后蒸发,再将突起部分进行压制成量子点层,去掉表层后转压到玻璃基板或塑料基板上,该过程就实现了最子点到基板的转移。

(4)当前QLED的主要问题1、制备成本QLED器件的制作成本大致可分为原材料的成本和处理这些材料的制造成本。由于目前QLED都采用类似的工具箱薄膜处理技术,例如喷墨和微接触印刷,热蒸发定量和溅射等,虽然QLED在结构和制作技术上比OLED减少了很多成本,但是高要求的制备环境使其与商业化仍有一段距离。

2、使用寿命目前QLED器件在最低视频亮度(100cd/m2)上的寿命仅为100-1000个小时,远远小于显示器需要的寿命(大于10000小时)。由于目前缺乏深入的理论研究,所以造成器件寿命短的因素可能有很多。由于QLED器件一定程度上是在OLED基础上演变而来的,所以作为QLED电荷传输层的有机物的某些固有不稳定性质可能是其器件寿命短

的一个原因。在这个基础上,改善器件中的有机物的稳定性成为增加QLED寿命的一个研究方向。

三、量子点LED的应用量子点LED主要有两个应用方向:一个是利用量子点背光源技术的量子点LCD,另外一个是量子点发光二极管QLED。在这两种应用方向中,量子点LCD 的应用较为简单成熟,已经有相当多的产品出现,而相比之下QLED还在不断发展改进中。

(一)量子点LED的应用优势由于量子点LED采用了量子点材料,所以其自然而然也就具备了量子点材料相对于有机荧光材料的诸多优势。(二)量子点LED应用发展概况(1)2010年LG在SID国际显示信息大会上展示了一款新型面板,该面板采用量子点LED作为其背景光源,液晶面板的色彩纯度将得到进一步提升,从而使得面板的显示色域扩大了30%。

(2)2011年先进材料开发商NanoPhotonica在量子点LED 显示技术方面取得切实可行的重大突破,即将用于显示器的批量生产。采用NanoPhotonica-QLED技术生产的显示器将拥有更佳的画质,同时功耗下降30%,价格削减75%,使用寿命延长一倍。其用途广泛,可用于各种尺寸的显示器,而用途广泛的背后是无需真空蒸镀处理、具有成本效益的喷墨打印技术。

三星电子以有机层和无机层分别作为量子点发光层的电子

和空穴传输层,制备得到了量子点发光二极管。通过转印法对量子点薄膜图形化,三星电子公司制作了4英寸全彩有源矩矩阵QLED显示器件原型。

QDVision公司在SID上展示了一款4英寸的全彩色量子点LED显示屏,该显示屏的画质与效率已经达到现有OLED的水平。QDVision预计3-5年内将实现量子点LED显示屏的量产。Nanosys公司在2011年SID上展示了一款量子点增强薄膜QDEF技术,该技术在液晶显示器的背光单元和显示模块之间增加一层量子点增强薄膜,能够使现有液晶显示器的色域提高50%,达到与OLED齐平的色域。

2011年Nanosys公司以蓝光LED激发量子点发光薄膜作为背景光源,开发了色域达到80%NTSC的47英寸全高清LCD 电视。

(3)2013年2013年6月索尼推出在背光源中采用量子点技术的液晶电视高端机型,同年10月亚马逊推出了液晶屏背光源采用量子点的平板电脑。

(4)2014年4月,全球科技领导品牌美国优派(ViewSonic)的VX2457sml是量子点技术的代表之作,借助量子点显示技术可进一步增加可显示色彩的数量,将面板的显示色域提升到99%AdobeRGB,液晶面板的色彩纯度也有大幅度提升,提高了图像质量,从而为用户呈现出专业、极致的逼真色彩显示。

9月,三星电子、LGE及TCL都在柏林国际消费电子展(IFA)上首次展出应用量子点背光技术的LCD电视。其中,三星电子将与明年一季度量产QDLCD电视,由SDC提供Opencell,首批产品主要产品尺寸为55英寸和66英寸,并将定位在超高端市场。

TCL则将使用华星55英寸UHD面板及3MQDEF,色域达到105%,计划最快于2014年年底量产。LGE也一直与QDvision合作开发量子点背光技术并计划推出QDLCD电视,但2015年的产品策略将仍以OLED为重点推广产品。索尼也有计划推出55英寸以上QDLCD电视产品。

美国专利和商标局2014年初通过了一项Apple在2012年申请的被称为“拥有分色滤光器的量子点增强显示器”专利,专利中详细介绍了量子点技术以及这种技术如何应用在像iPhone这样的移动设备上。

(5)2015年三星在CES2015电子展上大力宣传全新的“SUHDTV”系列,突出其亮度、颜色还原、细节呈现等优势,也是与普通UHD(超清)电视的区别。但本质上,SUHD 也是以量子点技术为基础,只不过三星针对纳米晶体、图像处理引擎进行了优化,相对此前的4KLED背光电视看上去效果更出色。

在CES2015上,TCL集团也在展会上举行了新品推介会,面向北美市场发布中国首款量子点电视H9700,成为2015

美国CES展一大看点。

(6)2016年2016年IFA展会上,三星展示了多款大屏电视新品,以SUHD为主的量子点电视毫无意外地占领了半边天-除了覆盖43英寸到88英寸不等的19款量子点电视新品,三星还发布首款量子点曲面电竞显示器。

9月TCL进行秋季产品线的重要推陈出新,推出高端副品牌“创逸”(英文名称为“Xess”),及旗下量子点电视、平板电脑、手机等数款终端产品,其中量子点电视X2作为重要旗舰产品预计三个月后正式推向市场。

(三)量子点LED应用市场分析量子点LED的应用市场分为QLED和量子点LCD,由于QLED商用化还不够成熟,现在的量子点LED应用市场基本上被量子点LCD占据。(1)全球QLED应用市场预测虽然现在所有的目光都集中在量子点LCD上,但QLED才是真正意义上的量子点发光二极管,有望成为下一代OLED显示屏技术。根据IDTechExResearch前瞻性预测,到2026年QLED的市场规模可以达到112亿美元,显示领域的市场规模为96亿美元,占比约85%。图26:QLED应用市场规模预测(2)全球量子点LCD应用市场预测量子点显示技术在上世纪90年代就已经问世,但它直到最近才开始在电视市场里流行起来。液晶面板已经发展了几十年,主要的提升在于背光技术的发展,LED背光目前已经成为主流,相比传统冷阴极荧光灯背

光拥有更好的显示效果。但显然LED背光也并非万能,所谓的“WhiteLED”光谱范围十分广泛,所以为了显示更饱和的红、绿、蓝色,需要更精准的调光技术,也存在一些瓶颈。自发光的OLED具有更好的色彩还原效果,但成本非常高,市场接受度低,大规模地量产很不现实。量子点则是一种液晶显示技术中更为高效的显示技术。量子点能够将纯蓝色光源转换为红、绿色,抑制偏色状况,实现更平衡的三原色输出。同时,它的功耗和成本也要比OLED更低。考虑到量子点技术能够带来更高的能效和色彩表现,同时还可降低成本,量子点LCD可能很快就会成为高端电视市场里最热门的选择。

2015年量子点LCD的市场规模为7760万美元,预计到2020年市场规模可达4.77亿美元,同比增长515%。可以看到,未来五年量子点LCD的市场规模将呈现爆发式增长的状态,潜力巨大。图27:量子LCD市场规模预测

量子点LCD一共有三种封装形式:On-Surface、On-Edge和On-Chip,目前前两种方式是量子点LCD的主要封装形式。2015年以On-Surface形式和On-Edge形式封装的量子点LCD市场规模分别为6950万美元和810万美元,预计到2020年市场规模分别为42540万美元和1610万美元。On-Surface 形式市场规模呈逐年增加趋势,On-Edge形式2018年市场规模预计将达2020万美元,随后呈现下降趋势。On-Chip形式

封装的量子LCD预计2018年市场规模为700万美元,2020年将达3570美元,将超过On-Edge形式封装的市场规模。On-surface封装形式是量子点LCD的主流选择,2015年市场规模占比为89.6%,预计2020年占比为89.1%。量子LCD 由于其优异的性能,将广泛应用于电视显示屏(TV)、监控显示屏(monitor)、笔记本电脑显示屏(notebook)、平板电脑显示屏(tablet)和手机显示屏(smartphone)。2015年应用于TV、monitor和tablet的市场规模分别为7350万美元、350万美元和50万美元,出货量分别为140万台、40万台和10万台,预计到2020年市场规模分别为41630万美元、2420万美元和1930万美元,出货量分别为2450万台、320万台和470万台。应用于notebook的2016年的市场规模为70万美元,出货量为10万台,预计到2020年市场规模为400万美元,出货量为80万台。应用于smartphone的2018年的市场规模为110万美元,出货量为50万台,预计到2020年市场规模为1350万美元,出货量为740万台。量子点电视是量子点LCD的主要应用领域,2015约占到总市场规模的94.8%,2020年预计约为87.2%。

图31:量子点LCD应用领域出货量预测未来五年内,量子点电视将占据着量子点LCD应用的绝大部分市场,2015年40-49英寸量子点电视的出货量为10万台,50-59英寸为80万台,60-69英寸为40万台,到2020年预计出货量将分别

达到830万台、1190万台和390万台。预计大于70英寸量子点电视2017年的出货量为10万台,到2020年预计为40万台。40-60英寸是量子点电视的主流需求,2015年占到总出货量的69.2%,2020年将占到82.5%,相比之下70英寸以上需求较小。图33:不同尺寸量子点电视出货量预测四、全球主要量子点生产厂商目前全球大约有六十家单位在进行

量子点的研究,包括企业、大学、研究机构等,其中三大世界领先的量子点材料制造商-英国的Nanoco、美国的QDVision和德国的Nanosys,已逐步形成三足鼎立的态势,这三家公司几乎把市场瓜分殆尽,而杭州纳晶科技股份有限公司是国内唯一一家具备量子点技术研发实力的企业。(一)国外主要量子点企业(1)英国Nanoco英国Nanoco 成立于2001年,其市场定位是环保型无镉量子点(CFQD)的生产商和供应商,其与美国陶氏化学合作试制的使用无镉(Cd)量子点的液晶显示器于2014年6月2日在“SID2014”期间进行了展示,采用“On-Surface”的封装形式,但尚未有应用产品的公开报道,另外三星即将量产的量子点背光材料主要来自Nanoco和陶氏化学,该公司当前市值为1.96亿美元。

Nanoco公司2015年营业收入和净利润分别为320万美元和-1290万美元,连续六年净利润为负值且不断扩大,处于亏损当中。其2015年的营业收入来源于版税与许可证收入、

量子点材料和技术服务三个部分,其中量子点材料的营业收入占比为21.9%。

Nanoco量子点材料业务概况:1、背光显示:CFQD可以显著增加显示色域(提高30%)使影像更逼真,色彩更艳丽,且无需改变现有LCD及LED显示的工艺模式,成本更低,更易于被广大LCD(LED)厂商所接受。应用方向:手机面板、平板电脑、电脑显示屏、电视等。

2、照明:通过控制CFQD的尺寸可以精准地调节光的色温及显色指数,从而达到客户对光的个性化需求。另外由于CFQD更为优异的光电转化效率,可以减少LED光源的使用量而达到更加节能的目的。应用方向:LED封装、LED照明装置、LED灯具、LED照明产品等。

3、薄膜太阳能:Nanoco生产的纳米粒子(CIGS)具有很好的光电转化效率,与现行的加工方法不同,该纳米粒子可以通过溶液法制作薄膜太阳能电池,材料利用率到达90%,远高于现行的蒸镀法和溅射法(

4、生物医药:水溶性CFQD和功能化CFQD,应用方向:生物成像、体内体外活体诊断。

(2)美国QDVision美国QDVision于2004年由世界著名麻省理工学院(MIT)的研究人员创立,其中包括量子点显示技术之父MoungiBawendi,其除了拥有超过250项专利和申请中的专利外,还获得了包括由美国环境保护署颁发的著名

“总统绿色化学奖”在内的诸多奖项。其与美国NexxusLighting合作于2009年推出了商业化的量子点照明光源,2013年发布的量子点背光管应用于日本Sony公司的电视机,采用了“On-Edge”的封装方式。QDVision声称其量子点光学部件的月产量可达100万个。

QDVision是量子点显示技术领域的领导者,其ColorIQ量子点显示技术提供的独特组件方案可以使显示器输出“全域”色彩。自2013年以来,该公司已售出超过一百万件的ColorIQ 光学器件并持续与电视和显示器市场的品牌商包括TCL、海信、飞利浦和康佳合作,采用ColorIQ技术的量子点电视和显示器目前已在中国、日本和欧洲等地上市。

ColorIQ量子点显示技术是一种由QDVision研发的高级发光半导体技术,相关产品采用量子点材料制备而成,能发射出非常纯净、非常饱和的窄带宽红、绿、蓝光,通过集成ColorIQ 光学组件和客户的显示技术,液晶电视可以实现更广的色域和100%NTSC标准。应用方向:大屏液晶电视、个人电脑、工作站显示器、智能手机、照明领域等。

(3)德国Nanosys德国Nanosys成立于2001年,是量子点显示技术的领导者之一,该公司握有超过300项量子点显示的相关专利,其2012年与3M公司合作研发了量子点加厚薄膜(QDEF)技术,利用QDEF技术不仅可以将色域由NTSC 比70%扩大到100%,用液晶面板亮度与背照灯功率之比表

示的发光效率也提高了约50%,其采用了“On-Surface”的封装形式。

Nanosys量子点材料业务主要包括量子点浓缩液和QDEF技术,该公司目前拥有世界最大的量子点浓缩液生产基地,年产量25吨,同时具备每年为600万台60英寸量子点电视提供量子点材料的能力,2015年之后将会陆续推出一系列新型量子点产品,例如量子点管道。该公司与一些知名的电脑和显示器品牌商如3M、三星、夏普和LG建立了紧密的合作关系,其产品广泛应用于平板电脑、电视,智能手机等。(二)国内主要量子点企业(1)杭州纳晶科技股份有限公司纳晶科技成立于2009年8月,是一家以量子点半导体新材料为技术核心的国家级高新技术企业,主要业务是量子点新材料的研究、制造及应用技术与产品的开发,在新型量子点材料的设计、合成及表面修饰居于全球领先地位,是国内唯一的一家新三板上市公司,具备雄厚的科研实力,当前市值为16.3亿元。

纳晶科技2015年营业收入和净利润分别为731万元和-495万元,连续四年净利润为负值,但近三年亏损不断减小。该公司量子点材料及其应用处于市场导入及验证期,虽然其拥有不可代替的技术竞争优势,包括量子管在内等应用产品已经开始批量生产,但在形成客观营业收入前仍存在继续亏损的经营风险。其2015年的营业收入来源于照明产品、半导

体发光材料、技术服务、生物产品和显示产品五个部分,营业收入占比分别为56.8%、26.2%、11.4%、4.7%和1%,显示产品比重较小。纳晶科技主营业务概况:1、量子点材料:分为四个产品体系-含镉量子点试剂、无镉量子点试剂、金属纳米晶和氧化物纳米晶,广泛应用于发光器件、太阳能电池、催化、生物标记和生物医药等领域的基础研究和应用开发。

2、ColorIn量子点显示技术:产品包括量子点光转换器件(Q-LCD)和量子点光转换膜(QLCF),广泛应用于电视、显示器、手机等终端产品。

3、QLED:已建立OLED印刷显示项目研究中心,正积极推进QLED印刷显示技术的产业化开发。

4、生物医药:成立全资子公司北京纳晶生物科技有限公司,致力于量子点在生命科学领域的应用与推广,产品有量子点标记物、量子点标记试剂盒、量子点快检平台等。

5、纳晶自然光:运用独家的量子点纳米晶与美国CREE全球授权远程激发技术相结合,研发出基于自然光光谱模拟技术的3D硅胶球面罩发光器件,与自然光健康可见光谱区域95%以上重合,是目前为止最接近自然光的人造光源。

分析师裘孝锋TEL:8621-20252676

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量子点LED专题报告 一、什么是量子点LED? 量子点LED是把有机材料或者LED芯片和高效发光无机纳米晶体结合在一起而产生的具有新型结构的量子点有机发光器件。相对于传统的有机荧光粉,量子点具有发光波长可调(可覆盖可见和近红外波段)、荧光量子效率高(可大于90%)、颗粒尺寸小、色彩饱和度高、可 低价溶液加工、稳定性高等优点,尤其值得注意的是高色纯度的发光使得其色域已经可以超过HDTV标准色三角。因此基于量子点的发 光二极管,有望应用于下一代平板显示和照明。

表征量子点的光电参数: 1、光致发光谱(PL谱):光致发光谱反映的是发射光波长与发光强度的关系。从PL谱上可以得到发光颜色的单色性、复合发光的机制、量子点的颗粒尺寸大小及分布均匀性、本征发射峰波长等基本光学信息。量子点光致发光谱的半高宽越窄,说明量子点的发光单色性越好,器件的缺陷和杂质复合发光越少。 2、紫外可见吸收谱:量子点的紫外可见吸收谱反映的是量子点对不同波长光的吸收程度,从谱中吸收峰的位置可计算出量子点的禁带宽度。量子点吸收谱的第一吸收峰与光致发光谱的发射峰的偏移是斯托

克斯位移,斯托克斯位移越大,量子点的自吸收越弱,量子点的荧光强度越高。 3、光致发光量子产率:量子点溶液的光致发光量子产率是通过与标准荧光物质(一般用罗丹明6G)的荧光强度对比而测出。量子点高的量子产率能有效提升器件的发光效率,但纯核量子点沉积成薄膜后量子产率将比在溶液中的量子产率下降1到2个数量级。量子点也存在荧光自淬灭现象,这是由存在于不均匀尺寸分布的量子点中的激子通过福斯特能量转移到非发光点进行非辐射复合所引起。 二、量子点LED在照明显示中的应用方案 量子点的发射峰窄、发光波长可调、荧光效率高、色彩饱和度好,非常适合用于显示器件的发光材料。量子点LED在照明显示领域中的应用方案主要包括两个方面:a、基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术(QD-BLU,即光致量子点白光LED);b、基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管技术(QLED)。

半导体量子点发光

. 半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径(约5.3nm)时,称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下,半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发,处于激发态的电子向较低能 级跃迁,以光福射的形式释放出能量。大多数情况下,半导体的光学跃迁发生在带边,也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表 示。如图所示,直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K 空间,间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K 空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁,伴随着发射光子,这是半导体的发光现象。

. 对于半导体量子点,电子吸收光子而发生跃迁,电子越过禁带跃迁入空的导带,而在原来的价带中留下一个空穴,形成电子空穴对(即激子),由于量子点在三维度上对激子施加 量子限制,激子只能在三维势垒限定的势盒中运动,这样在量子点中,激子的运动完全量子 化了,只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合,从而导致发光现象。原理示意图,如图所示,激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合 ,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用 ,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺 陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生 成其它杂质,这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整 的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效 地直接复合发光。

量子点发光材料综述

量子点发光材料综述 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料,而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出,量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径,其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径,量子点能表现出明显的量子点限域效应,此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束,这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域,使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限,使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构,表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制,能量发生量子化,连续能带变为分立的能级结构,带隙展宽,从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明,随着量子点尺寸的缩小,其荧光将会发生蓝移,且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为A m=S V =4πR2 4 3 πR3 =3 R ,也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小,拥有极大的比表面积,其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时,会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说,即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时,该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列,载流子共同越过多个势垒时,在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又

半导体量子点及其应用概述_李世国答辩

科技信息2011年第29期 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 0引言 近年来半导体材料科学主要朝两个方向发展:一方面是不断探索扩展新的半导体材料,即所谓材料工程;另一方面是逐步从高维到低维深入研究己知半导体材料体系,这就是能带工程。半导体量子点就是通过改变其尺寸实现能级的改变,达到应用的目的,这就是半导体量子点能带工程。半导体量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构,原子数目通常在几个到几百个之间,三个维度的尺寸都小于100纳米。载流子在量子点的三个维度上运动受尺寸效应限制,量子效应非常显著。在量子点中,由于量子限制效应作用,其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构,所以量子点又叫人造原子。由于特殊能级结构,使得量子点表现出独特的物理性质,如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等,它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义,量子点材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一[1]。 1量子点制备方法 目前对量子点的制备有很多方法,主要有外延技术生长法、溶胶-凝胶法(Sol-gel 和化学腐蚀法等,下面简单介绍这几种制备方法: 1.1外延技术法 外延技术法制备半导体量子点,主要是利用当前先进的分子束外延(MBE、金属有机物分子束外延(MOCVD和化学束外延(CBE等技术通过自组装生长机理,在特定的生长条件下,在晶格失配的半导体衬底上通过异质外延来实现半导体量子点的生长,在异质外延外延中,当外延材料的生长达到一定厚度后,为了释放外延材料晶格失配产生的应力能,外延材料就会形成半导体量子点,其大小跟材料的晶格失配度、外延过程中的条件控制有很大的关系,外延技术这是目前获得高质量半导体量子点比较普遍的方法,缺点是对半导体量子点的生长都是在高真空或超高真空下进行,使得材料生长成本非常高。1.2胶体法

碳量子点的制备及其在发光二极管中的应用

第43卷第7期2015年7月 硅酸盐学报Vol. 43,No. 7 July,2015 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.360docs.net/doc/f95114954.html, DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.2015.07.03 碳量子点的制备及其在发光二极管中的应用 马莉,裴浪,梁晓娟,向卫东 (温州大学化学与材料工程学院,浙江温州 325035) 摘要:碳量子点是纳米材料领域一个备受关注的荧光纳米材料,仅近几年里,基于碳量子点的研究,在制备和应用方面均取得了许多突破性的进展。本文简述了碳量子点的优异特性及其合成方法,重点概述了碳量子点的修饰、复合材料的制备以及在发光二极管(LED)应用方面的最新研究进展。以期为碳量子点的发展应用提供思路和参考。 关键词:碳量子点;荧光纳米材料;制备;发光二极管;修饰 中图分类号:TB383 文献标志码:A 文章编号:0454–5648(2015)07–0858–09 网络出版时间:2015–05–27 18:47:31 网络出版地址:https://www.360docs.net/doc/f95114954.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20150527.1847.020.html Synthesis and Application in LED of Carbon Quantum Dots MA Li, PEI Lang, LIANG Xiaojuan, XIANG Weidong (College of Chemistry and Materials Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035, Zhejiang, China) Abstract: Carbon quantum dots have attracted much recent attention among the nano-materials family. Recent development on the synthesis and applications of carbon quantum dots materials was reviewed. The superiority and synthesis methods of carbon quantum dots were introduced, and the modification, preparation of composites and application in light emitting diode (LED) of carbon quantum dots were summarized. This review could provide the corresponding information on the future development of carbon quantum dots. Key words: carbon quantum dots; fluorescence nano-material; synthesis; light emitting diode; modification 碳纳米材料家族的新秀——碳量子点(carbon quantum dots, CDs)是一类由碳、氢、氧、氮等元素组成,以sp2杂化碳为主的表面带有大量含氧基团,且颗粒尺寸小于10 nm的准球型碳纳米粒子[1]。除了具有高的载流子迁移率、良好的热学和化学稳定性以及环境友好性、价格低廉等[2?3]无可比拟的优势,与传统半导体量子点材料相比,CDs材料耐光漂白[3?4]、易于功能化[5]、低毒性、反应条件温和[6?7],而且还拥有激发波长和发射波长范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、无光闪烁、荧光强度高、在近红外光激发下可发射近红外荧光等独特的性质[8?11]。因此,CDs在生命科学[12]、环境检测[13]、光电器件[14]、光催化[15?16]等各个领域具有前所未有的应用前景。近10年中,作为碳家族材料中一类崭新的明星材料,CDs已经逐渐成为研究者关注的热点,在制备和应用方面均取得了许多突破性的进展。 作为纳米材料领域一个备受关注的发光材料,CDs具备优越的发光性能,主要体现在光致发光和电致发光两方面,其中光致发光是CDs最突出的发光性能[3],因此,CDs也常被称作荧光碳。值得一提的是,中国科学院理化技术研究所与中国科学院长春应化研究所合作,制造了首个碳量子点发光器件[17] ,这是用荧光CDs制作白光器件的首次尝试,同时,该研究也首次证明了CDs可以作为新一类发光体用于构筑高性能白光发光二极管(LED)器件。 收稿日期:2014–12–31。修订日期:2015–03–07。 基金项目:国家自然科学基金项目(51472183,51272059)。第一作者:马莉(1990—),女,硕士研究生。 通信作者:向卫东(1962—),男,教授。Received date:2014–12–31. Revised date: 2015–03–07. First author: MA Li (1990–), female, Master candidate. E-mail: mali1002@https://www.360docs.net/doc/f95114954.html, Corresponding author: XIANG Weidong (1962–), male. Professor. E-mail: xiangweidong001@https://www.360docs.net/doc/f95114954.html,

量子点发光材料综述

量子点 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料,而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出,量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径,其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径,量子点能表现出明显的量子点限域效应,此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束,这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域,使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限,使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构,表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制,能量发生量子化,连续能带变为分立的能级结构,带隙展宽,从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明,随着量子点尺寸的缩小,其荧光将会发生蓝移,且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为,也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小,拥有极大的比表面积,其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时,会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说,即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时,该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列,载流子共同越过多个势垒时,在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又

量子点发光材料简介

量子点发光材料综述 1.1 量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料,而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出,量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径,其尺寸通常在1-10nm 左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径,量子点能表现出明显的量子点限域效应,此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束,这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域,使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2 量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限,使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构,表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制,能量发生量子化,连续能带变为分立的能级结构,带隙展宽,从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明,随着量子点尺寸的缩小,其荧光将会发生蓝移,且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为,也就是说量子点比表面积随着颗粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小,拥有极大的比表面积,其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时,会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说,即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时,该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列,载流子共同越过多个势垒时,在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又称为宏观量子隧道效应[6][7]。 1.2.4 介电限域效应

一文解析量子点技术的发光原理

一文解析量子点技术的发光原理 很多东西都是偶然发现的引力、青霉素、新大陆现在这个名单又有了新成员:美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家发现了,为什么一项制造量子点和纳米柱的技术到目前为止还不能令人满意。而且,他们还发现了如何纠正这个问题。 伯克利实验室的化学家Paul Alivisatos和Illinois大学的化学家Prashant Jain领导一组研究者发现,为什么溶液中的多种成分结晶而成的纳米晶体经过阳离子置换后,色泽变差了。他们发现,问题的根源是最终的产品不纯。研究小组还指出,这些杂质可以通过加热去除。图片左边的瓶子里装的是净化前的晶体,右边的瓶子里是把杂质去除后的纳米晶体。 所谓量子点量子点是指直径小于纳米的半导体超微颗粒。1纳米相当于十亿分之一米,足见量子点颗粒之小。简单比较来说,如果世界的大小假定为1,那么量子点(0.000000001)就相当于一个足球那么大。它比时下已成为问题的空气中的超细微颗粒(2.5m)都要小一千倍。量子点是由无机物材料,直径为2~10纳米的内核和外壳组成,最终由高分子涂层包裹而成的构造。最具代表性的量子点材料是镉。由于镉对环境有害,三星开发了新的量子点技术,即使没有镉材料,依旧可以保持量子点的高性能。目前这项技术正投入使用中。量子点的发光原理量子点的独特之处在于,即使向同一种物质发光或供给电流,根据粒子的大小却会展现出不同的颜色。粒子若小则会看到蓝色的短波光,粒子若大则会看到红色的长波光,因而可以通过粒子的大小来表现不同的颜色。 量子点显示的分类①QDEF-LCD (Quantum Dot Enhancement Film LCD) 目前应用量子点技术的产品如已上市的三星SUHD电视等,主要使用的就是QDEF技术。就是在基准的LCD上添加量子薄膜。其具体方式就是将含有量子点的量子薄膜如上图所示插入在发光的背光模组之上,让穿过薄膜的光通过液晶和彩色滤光片的方式展现颜色。构造虽与LCD的方式无异,但通过QDEF技术可以得到相当好的色彩再现效果。 ②QDCF-LCD (Quantum Dot Color Filter LCD) 与QDEF的方式在LCD的背光模组上添加量子薄膜不同,QDCF技术是直接将基准的LCD 彩色滤光片(color filter)材料换成QD来表现所需的颜色。这项技术的优势在于量子点的

半导体量子点发光

半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径(约5.3nm)时,称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下,半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发,处于激发态的电子向较低能级跃迁,以光福射的形式释放出能量。大多数情况下,半导体的光学跃迁发生在带边,也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。如图所示,直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K空间,间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁,伴随着发射光子,这是半导体的发光现象。

对于半导体量子点,电子吸收光子而发生跃迁,电子越过禁带跃迁入空的导带,而在原来的价带中留下一个空穴,形成电子空穴对(即激子),由于量子点在三维度上对激子施加量子限制,激子只能在三维势垒限定的势盒中运动,这样在量子点中,激子的运动完全量子化了,只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合,从而导致发光现象。原理示意图,如图所示,激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质,这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。

半导体量子点发光知识讲解

半导体量子点发光

半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径 (约5.3nm)时,称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下,半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发,处于激发态的电子向较低能级跃迁,以光福射的形式释放出能量。大多数情况下,半导体的光学跃迁发生在带边,也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。如图所示,直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K 空间,间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁,伴随着发射光子,这是半导体的发光现象。

对于半导体量子点,电子吸收光子而发生跃迁,电子越过禁带跃迁入空的导带,而在原来的价带中留下一个空穴,形成电子空穴对(即激子),由于量子点在三维度上对激子施加量子限制,激子只能在三维势垒限定的势盒中运动,这样在量子点中,激子的运动完全量子化了,只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合,从而导致发光现象。原理示意图,如图所示,激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质,这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。

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