量子点技术核心技能详细介绍

发光的原理大抵包含电致发光(Electroluminescence，EL)、光致发光(Photoluminescence，PL)和化学发光(生物发光和燃烧发光可归类在此)，而如今被普遍使用，能产生高亮度、并且有效节能的方式，正是电致发光，早在爱迪生发明电灯时，就已打开电致发光的大门，光源之旅一路从始祖钨丝灯，一路走到今日的LED固态照明。

而LED、OLED和量子点，都同属于电致发光中的固态场效发光，电子从激发态(Excited State)以辐射的方式回到基态(Ground State)，当材料是直接能隙半导体时，这个辐射就会以光的形式呈现，对无机物LED和量子点来说，激发态的能量位置称之为传导带(Conduction Band，CB)，基态的位置称之为价带(Valence Band，VB)，而对有机物OLED而言，只要把CB和VB换成LUMO和HOMO就好了，道理大抵都是相通的。

激发态的能量较高，回到基态时是释放能量的，对可发光的半导体材料来说，光就是这股被释放的能量，激发态与基态间关键的能量差就叫做能隙(Energy Gap)，能隙决定了光的能量，进而决定了光的频率与波长，总结的说，材料的能隙就定义了光的色彩，是解开光谱奥秘的钥匙，不同的发光材料(直接能隙半导体)，理论上对应了不同的能隙。

于是在固态发光的旅程中，科学家绞尽脑汁寻找各种波长对应的理想材料，辅以掺杂(doping)的技术实现各种颜色的光，商业化的过程还得考虑到效率、晶格匹配、热膨胀匹配等种种考量，背后蕴含了庞大的知识与技术，固态照明能有今天的成果，得要感谢科学家们的努力，替照明世界找齐那一块一块的拼图，无怪乎1993年中村叔叔搞出高亮度蓝光，补足RGB三缺一的诅咒时，全世界都流眼泪了!这个被誉为“二十世纪不可能的任务”的里程碑，一来意味着二极体白光的诞生，固态照明的路从此打开，二来意味着实现全色彩(Full Color)的原料齐备，LED可以拿去做显示了!一个蓝光的突破，让LED一口气打开通往两个巨大市场的门，中村于是当之无愧的成了诺贝尔奖得主。

该说说量子点了。

对于一维二维三维的纳米材料我们这里不讨论，我们只需看块材(Bulk Material)和量子点(Quantum Dot)就好，一般在半导体的领域，我们使用的材料是块材，块材由许多原子透过共价键合体，原子与原子间的复杂作用力，让不连续的能阶形成接近连续的能带，也就是我们所说的导带和价带，导带与价带间有固定的能量差，于是块材的能隙就这么决定了。但当我们把块材持续的缩小到奈米尺度，且小于其波尔半径时，量子局限效应(Quantum Confinement)出现了，原本固定的能阶会开始往外扩，当尺寸持续缩小时，发光波长会开始蓝移(能量变强，光的波长变短)

这个因为量子局限效应出现的能阶改变，就是量子点进入显示舞台的核心，只要选一个能隙小的材料，透过尺寸控制就能发出所有可见光，对，所有，什么晶格匹配什么掺杂的功夫都可以洗洗睡了。

量子点最梦幻的事，就是“一种材料，各种波长”，这个光可调的技能，可以用固定的材料去实现多种波长，色彩还又准又pure，这真的很过分，彻底玩弄了半导体能隙与波长一对一的常理。于是，如LED和OLED那般寻找波长拼图的做法成了历史，量子点的世界只需要一把钥匙---“化合物的选择”，说起来简单，但这个化合物不仅要能在蓝移时涵盖所有可见光、要有最小的半高宽、理想的转换效率，还要不含毒素跟好合成…，这些条件列出来确实科学家也哭着想回家了，但…这是奈米材料啊!奈米材料是材料科学的未来啊!怎么能跟简单沾上边呢?困难是理所当然的，反正找到了就是一百，找不到就是零，量子点材料选好了以后，再也不需要担心的就是色域，更遑论去思考白光缺少哪个要素这种别脚的问题。

从应用端的延展性来看，量子点同时具备了发散跟收敛的能力，不只能用一把钥匙打开所有波长的门，实现精准的色彩、完美的色域;在光致发光的应用时，还可以让不同门通往同一个房间---只要来源光都在可激发的范围，量子点能把不同波长的光转换成单一波长，实现光一致性的“整光”效果，这对显示来说是个振奋人心的特质，解决了单一Wafer晶片波长范围难以微缩的难题，于是这个能“一转多”又能“多转一”的神奇材料，也成了小间距显示屏与Micro LED热切观望，期许能解决自身技术限制的秘密武器。

量子点跟LED和OLED的关键差别，就是(1)拥有控制波长的完美特质，以及(2)目前唯一能在光致发光和电致发光都有所作为的材料，这两点大大的打开量子点的应用弹性与想像空间。

量子点的尺寸非常小，已经很难用Top-Down的方法制造，目前的制备方法都是Bottom-up，也就是用三口瓶像煮火锅一样煮出来的，过去为了提高量子点的发光效率，采用了Core-Shell结构(下图左)，用能隙更宽的材料保护中央的发光中心，以CdSe/CdS结构来说，CdSe是发光中心，CdS是保护外壳，这种作法持续很久，量子点的发光波长跟尺寸大小在这个时期都是直接相关的，普遍来说2nm～10nm的大小的量子点，可以对应蓝光到红光的所有可见光，越大颗波长就越长，反之亦然。后来称作合金(Alloy)量子点的作法出现了(下图右)，透过混合两种材料的做法来控制光的波长，量子点大小不再是判断色彩的指标，合金的做法可以让同样尺寸的量子点，发出不同波长的光，渐渐地成为今日量子点的主流。

最理想的发光材料目前还是硒化镉(CdSe)，但硒化镉含镉，导致其始终背负着ROHS的包袱，一直在豁免的期限上与欧盟拉扯，行销上也成为被替代技术痛击的弱点，再说了，只要被贴上含毒的标签，消费者就很容易从怀疑转成恐慌(消费者是非理性的)，更别说未来回收还要面临各种限制。于是，“含镉”成了量子点商业化的诅咒，为了甩开这个诅咒，量子点只能努力地朝向非镉与低镉材料前进。

故事先到这边告一段落，对量子点来说，(1)寻找对的商业产品，跟(2)解决镉的疑虑，是接下来最重要的课题，这篇主要着眼于量子点的原理与存在价值，由于时候不早了，下次再让我们进入量子点的商业发展之路。