Chấm lượng tử là gì?

1.1 Khái niệm

Chấm lượng tử là cấu trúc nano bán dẫn liên kết các exciton theo ba hướng không gian. Chấm lượng tử là một vật liệu bán dẫn chiều thấp quan trọng và ba chiều của chúng không lớn hơn hai lần bán kính exciton Bohr (1-10nm) của vật liệu bán dẫn tương ứng.

Các chấm lượng tử nói chung là hình cầu hoặc bán cầu, và đường kính của chúng thường từ 2-20 nm, trong khi đường kính sợi tóc của chúng ta là khoảng 100.000 nm (100 μm).

1.2 Tính năng

Chấm lượng tử là chất bán dẫn cấp nano. Bằng cách đặt một điện trường hoặc áp suất ánh sáng nhất định lên vật liệu bán dẫn nano này, chúng sẽ phát ra ánh sáng có tần số cụ thể, và tần số của ánh sáng phát ra sẽ thay đổi theo kích thước của chất bán dẫn này. Do đó, bằng cách điều chỉnh kích thước của chất bán dẫn nano này, màu sắc của ánh sáng phát ra có thể được kiểm soát. Vì chất bán dẫn nano này có đặc tính giới hạn electron và lỗ trống electron (Lỗ trống electron), đặc tính này giống với nguyên tử hay phân tử trong tự nhiên. , Do đó được gọi là chấm lượng tử.

Chấm lượng tử là các tinh thể nano bán dẫn. Khi kích thước hạt của chúng nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton, đường đi tự do trung bình của các electron bị giới hạn trong một phạm vi nhỏ, và dễ dàng hình thành các cặp exciton với lỗ trống. Các hàm sóng của các điện tử và lỗ trống chồng lên nhau, dẫn đến một dải hấp thụ exciton. Kích thước của chấm lượng tử càng nhỏ thì xác suất hình thành các exciton càng lớn và nồng độ các exciton càng cao. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng giam giữ lượng tử. Hiệu ứng giam giữ lượng tử của các chấm lượng tử làm cho hiệu suất quang học của nó khác với các vật liệu bán dẫn thông thường. Cấu trúc vùng năng lượng của nó tạo thành một số mức năng lượng exciton gần đáy vùng dẫn, tạo ra các dải hấp thụ exciton, và sự tái tổ hợp của các exciton sẽ tạo ra bức xạ huỳnh quang. Kích thước của các chấm lượng tử là khác nhau, mức độ mà các electron và lỗ trống bị giới hạn lượng tử là khác nhau, và cấu trúc mức năng lượng rời rạc của chúng cũng khác nhau.

Khi kích thước hạt giảm, mức độ giam giữ của các điện tử và lỗ trống tăng lên, dẫn đến sự gia tăng động năng của cả hai, nghĩa là, sự gia tăng năng lượng giới hạn lượng tử và vùng cấm hiệu dụng của chấm lượng tử mở rộng, và quang phổ hấp thụ và phát xạ tương ứng xảy ra Sự dịch chuyển màu xanh lam, và kích thước càng nhỏ thì sự dịch chuyển màu xanh lam càng lớn. Do đó, bằng cách điều chỉnh kích thước của các chấm lượng tử, phổ phát xạ của các chấm lượng tử có thể được điều chỉnh.

Mức năng lượng của chấm lượng tử bị tách ra do hiệu ứng hạn chế lượng tử và độ rộng vùng cấm bán dẫn tăng khi kích thước của tinh thể nano giảm.

Các tính chất chính của chấm lượng tử

1.3 Chuẩn bị

1.3.1 Vật liệu

Các chấm lượng tử thông thường bao gồm các phần tử IV, II-VI, IV-VI hoặc III-V. Các ví dụ cụ thể là chấm lượng tử silicon, chấm lượng tử germani, chấm lượng tử cadmium sulfide, chấm lượng tử cadmium selenide, chấm lượng tử telluride cadmium, chấm lượng tử kẽm selende, chấm lượng tử chì sulfide, chấm lượng tử chì selen, chấm lượng tử indium phosphide và lượng tử indium arsenide dấu chấm, v.v.

Các vật liệu chấm lượng tử được sử dụng hiện nay chủ yếu bao gồm dòng cadmium selenide (CdSe) và dòng indium phosphide (InP). Cái trước chủ yếu được sử dụng bởi QD Vision, cái sau chủ yếu được sử dụng bởi Nanoco và Nanosys sử dụng các chấm lượng tử lai indium và cadmium. kế hoạch. Hai loại chấm lượng tử có những ưu và nhược điểm riêng. Cadmium selenua tốt hơn hiệu suất phát sáng cao và gam màu rộng hơn. Indium phosphide không chứa cadmium và không bị hạn chế bởi tiêu chuẩn ROHS của EU.

1.3.2 Phương pháp chuẩn bị

Phương pháp sản xuất chấm lượng tử có thể được chia thành ba loại: phương pháp tăng trưởng bằng dung dịch hóa học, phương pháp tăng trưởng biểu mô và phương pháp giam giữ điện trường. Ba loại phương pháp chế tạo này cũng tương ứng với ba loại chấm lượng tử khác nhau.

Giải pháp hóa học tăng trưởng

Năm 1993, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Bawendi thuộc Viện Công nghệ Massachusetts dẫn đầu đã lần đầu tiên tổng hợp các chấm lượng tử có kích thước đồng nhất trong một dung dịch hữu cơ. Họ hòa tan ba nguyên tố oxy (lưu huỳnh, selen và tellurium) trong oxit tri-n-octyl phosphine, sau đó phản ứng với dimethyl cadmium trong dung dịch hữu cơ ở 200 đến 300 độ C để tạo ra vật liệu chấm lượng tử tương ứng (cadmium sulfide). , Cadimi selenua, cadimi Telluride). Sau đó, người ta phát minh ra nhiều phương pháp tổng hợp các chấm lượng tử dạng keo trên cơ sở phương pháp này. Hầu hết các vật liệu bán dẫn có thể được tổng hợp bằng phương pháp tăng trưởng dung dịch hóa học để tạo ra các chấm lượng tử tương ứng.

Các chấm lượng tử dạng keo có ưu điểm là chi phí sản xuất thấp, năng suất cao và hiệu suất phát sáng cao (đặc biệt là ở dải khả kiến ​​và dải cực tím). Nhưng nhược điểm là độ dẫn điện cực thấp. Vì các phối tử hữu cơ được tạo ra trên bề mặt của các chấm lượng tử trong quá trình sản xuất, lực hút van der Waals giữa các chấm lượng tử được bù đắp để duy trì sự ổn định của nó trong dung dịch. Nhưng lớp phối tử hữu cơ này cản trở rất nhiều đến sự chuyển giao điện tích giữa các chấm lượng tử. Điều này làm giảm đáng kể ứng dụng của các tinh thể nano trong pin mặt trời và các thành phần khác. Các nhà khoa học đã thử nhiều phương pháp khác nhau để tăng khả năng dẫn điện của vật liệu này. Đại diện là vào năm 2003, Giáo sư Guyot-Sionnest thuộc Đại học Chicago đã thay thế các phối tử hữu cơ chuỗi dài ban đầu bằng các hợp chất amin chuỗi ngắn hơn, thu hẹp khoảng cách chấm lượng tử và đưa một lượng lớn điện tử vào các chấm lượng tử bằng phương pháp điện hóa. Bên trong, độ dẫn điện được tăng lên đến 0,01S / cm.

Tăng trưởng biểu mô

Phương pháp tăng trưởng biểu mô đề cập đến sự phát triển của các tinh thể mới trên vật liệu nền. Nếu các tinh thể đủ nhỏ, các chấm lượng tử sẽ được hình thành. Theo cơ chế tăng trưởng khác nhau, phương pháp này có thể được chia nhỏ thành lắng đọng hơi hóa học và biểu mô chùm tia phân tử.

Các chấm lượng tử được nuôi cấy bằng phương pháp này phát triển trên một loại chất bán dẫn khác và dễ dàng kết hợp với các thiết bị bán dẫn truyền thống. Ngoài ra, do không có phối tử hữu cơ nên hiệu suất truyền điện tích của chấm lượng tử hình tròn cao hơn chấm lượng tử dạng keo và mức năng lượng dễ kiểm soát hơn chấm lượng tử dạng keo. Đồng thời, nó cũng có ưu điểm là ít khuyết tật bề mặt hơn. Tuy nhiên, vì cả quá trình lắng đọng hơi hóa chất và epitaxy chùm phân tử đều yêu cầu độ chân không cao hoặc độ chân không cực cao, nên chi phí của chấm lượng tử dạng biểu mô cao hơn so với chấm lượng tử dạng keo.

Phương pháp giam giữ điện trường.

Phương pháp giới hạn điện trường đề cập đến việc sử dụng toàn bộ thế năng của điện cực kim loại để làm sai lệch mức năng lượng trong chất bán dẫn để tạo thành một giới hạn đối với hạt tải điện. Vì kích thước yêu cầu của các chấm lượng tử ở mức nanomet, nên điện cực kim loại cần được chế tạo bằng cách tiếp xúc với chùm tia điện tử. Chi phí là cao nhất và sản lượng là thấp nhất. Tuy nhiên, các chấm lượng tử được tạo ra bằng phương pháp này có thể kiểm soát mức năng lượng, số lượng hạt tải điện và quay của chúng chỉ đơn giản bằng cách điều chỉnh điện áp cổng. Do khả năng kiểm soát cực cao, các chấm lượng tử như vậy cũng thích hợp nhất cho tính toán lượng tử.

1.4 Công dụng của chấm lượng tử

Ứng dụng của màn hình chấm lượng tử

2.1 Lịch sử

Vào đầu những năm 1970, do sự phát triển của công nghệ tăng trưởng biểu mô bán dẫn, việc điều chế các cấu trúc nano trở nên khả thi. Trước hết, cấu trúc nano hai chiều lớp mỏng được gọi là Giếng lượng tử (QW) đã được tổng hợp và nghiên cứu sâu rộng. Cấu trúc lớp mỏng nano này được hình thành do sự sắp xếp của hai vật liệu bán dẫn khác nhau. Các điện tử và lỗ trống được giới hạn trong một lớp mỏng dày vài nanomet, có tác dụng hạn chế rõ ràng. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ thành phần, độ rộng vùng cấm của giếng lượng tử có thể được thay đổi.

Năm 2011, Samsung Electronics đã sản xuất điốt phát sáng chấm lượng tử sử dụng các lớp vô cơ và hữu cơ làm lớp vận chuyển electron và lỗ trống của lớp phát sáng chấm lượng tử. Bằng cách tạo khuôn mẫu cho phim chấm lượng tử theo phương pháp truyền, Samsung Electronics đã tạo ra một nguyên mẫu thiết bị màn hình QLED ma trận hoạt động 4 inch đầy đủ màu sắc. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu của Samsung áp dụng giải pháp chấm lượng tử trên một tấm silicon, sau đó làm bay hơi, rồi ấn phần nhô ra thành một lớp chấm lượng tử. Sau khi loại bỏ lớp bề mặt, nó được chuyển sang đế thủy tinh hoặc đế nhựa. Quá trình này nhận ra chấm lượng tử đến chất nền. Chuyển giao. Các nhà nghiên cứu cho biết đế thủy tinh hoặc đế nhựa dẻo đã được sử dụng để sản xuất các nguyên mẫu màn hình.

Từ năm 2013, công nghệ hiển thị chấm lượng tử đã được áp dụng cho các tấm nền màn hình tinh thể lỏng (LCD). Phim chấm lượng tử được lắp ráp giữa mô-đun đèn nền và tế bào tinh thể lỏng và được áp dụng cho TV gam màu cao và máy tính bảng để đạt được dải màu rộng hơn. Miền và tiêu thụ điện năng thấp hơn.

Sony ra mắt mẫu TV LCD cao cấp sử dụng công nghệ chấm lượng tử trong đèn nền vào tháng 6/2013; Amazon cũng đã ra mắt máy tính bảng sử dụng chấm lượng tử trong đèn nền LCD vào tháng 10/2013.

2.2 Đặc điểm hiển thị của chấm lượng tử

1. Độ tinh khiết màu cao, đỉnh phổ phát xạ hẹp và phân bố đối xứng;

2. Quang phổ phát xạ có thể điều chỉnh được, và bước sóng phát xạ có thể thay đổi bằng cách điều khiển kích thước và chất liệu của các chấm lượng tử, do đó điều khiển màu phát ra ánh sáng;

3. Hiệu suất màu tốt, bao phủ gam màu lớn hơn 100% NTSC;

4. Hiệu suất phát sáng cao, hiệu suất lượng tử cao tới 90%, và độ ổn định ánh sáng tốt;

5. Nó có tiềm năng nhận ra các pixel cấp độ nano, có thể được sử dụng để sản xuất màn hình độ phân giải siêu cao.