การแสดงควอนตัมดอท (QLED) คืออะไร?
Dec 09, 2021
จุดควอนตัมคืออะไร?
1.1 แนวคิด
จุดควอนตัมเป็นโครงสร้างนาโนของเซมิคอนดักเตอร์ที่ผูก excitons ในสามทิศทางเชิงพื้นที่ จุดควอนตัมเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์มิติต่ำที่สำคัญ และสามมิติของพวกมันไม่เกินสองเท่าของรัศมี exciton Bohr (1-10 นาโนเมตร) ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สอดคล้องกัน
จุดควอนตัมโดยทั่วไปจะเป็นทรงกลมหรือกึ่งทรงกลม และเส้นผ่านศูนย์กลางมักอยู่ระหว่าง 2-20 นาโนเมตร ในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางของผมของเราอยู่ที่ประมาณ 100,000 นาโนเมตร (100 ไมโครเมตร)
1.2 คุณสมบัติ
จุดควอนตัมเป็นสารกึ่งตัวนำระดับนาโน โดยการใช้สนามไฟฟ้าหรือแรงกดของแสงกับวัสดุนาโนเซมิคอนดักเตอร์นี้ พวกมันจะปล่อยแสงที่มีความถี่เฉพาะ และความถี่ของแสงที่ปล่อยออกมาจะเปลี่ยนไปตามขนาดของเซมิคอนดักเตอร์นี้ ดังนั้นการปรับขนาดของนาโนเซมิคอนดักเตอร์นี้จึงสามารถควบคุมสีของแสงที่ปล่อยออกมาได้ เนื่องจากนาโนเซมิคอนดักเตอร์นี้มีลักษณะจำกัดอิเล็กตรอนและรูอิเล็กตรอน (Electron hole) ลักษณะนี้จึงคล้ายกับอะตอมหรือโมเลกุลในธรรมชาติ เรียกว่าจุดควอนตัม
จุดควอนตัมคือนาโนคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อขนาดอนุภาคของพวกมันเล็กกว่ารัศมี Bohr ของ exciton เส้นทางอิสระเฉลี่ยของอิเล็กตรอนจะถูกจำกัดให้อยู่ในช่วงขนาดเล็ก และง่ายต่อการสร้างคู่ exciton ที่มีรู การทำงานของคลื่นของอิเล็กตรอนและรูทับซ้อนกัน ส่งผลให้เกิดแถบดูดกลืนแสงของ exciton ยิ่งขนาดของจุดควอนตัมเล็กลง ความน่าจะเป็นที่จะเกิด exciton มากขึ้น และความเข้มข้นของ exciton ก็จะยิ่งสูงขึ้น เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์การกักขังควอนตัม เอฟเฟกต์การจำกัดควอนตัมของจุดควอนตัมทำให้ประสิทธิภาพทางแสงแตกต่างจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป โครงสร้างแถบพลังงานสร้างระดับพลังงาน exciton บางส่วนใกล้กับด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้า ส่งผลให้เกิดแถบดูดกลืนแสงของ exciton และการรวมตัวของ exciton จะทำให้เกิดรังสีเรืองแสง ขนาดของจุดควอนตัมนั้นแตกต่างกัน ระดับที่อิเล็กตรอนและรูถูกจำกัดด้วยควอนตัมนั้นแตกต่างกัน และโครงสร้างระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องของพวกมันก็แตกต่างกันเช่นกัน
เมื่อขนาดอนุภาคลดลง ระดับการกักขังของอิเล็กตรอนและรูจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้พลังงานจลน์ของทั้งสองเพิ่มขึ้น กล่าวคือ พลังงานการกักขังควอนตัมเพิ่มขึ้น และช่องว่างแถบที่มีประสิทธิภาพของจุดควอนตัมจะกว้างขึ้น และ สเปกตรัมการดูดกลืนและการปล่อยมลพิษที่สอดคล้องกันเกิดขึ้นกะสีน้ำเงิน และยิ่งขนาดที่เล็กลง การเปลี่ยนแปลงสีน้ำเงินก็จะยิ่งมากขึ้น ดังนั้น ด้วยการปรับขนาดของจุดควอนตัม สเปกตรัมการแผ่รังสีของจุดควอนตัมจึงสามารถปรับเปลี่ยนได้
ระดับพลังงานของจุดควอนตัมถูกแบ่งออกเนื่องจากการจำกัดควอนตัม และช่องว่างแถบเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้นตามขนาดของนาโนคริสตัลลดลง
คุณสมบัติหลักของจุดควอนตัม
1.3 การเตรียมการ
1.3.1 วัสดุ
จุดควอนตัมทั่วไปประกอบด้วยองค์ประกอบ IV, II-VI, IV-VI หรือ III-V ตัวอย่างที่เฉพาะเจาะจง ได้แก่ จุดควอนตัมซิลิกอน จุดควอนตัมเจอร์เมเนียม จุดควอนตัมแคดเมียมซัลไฟด์ จุดควอนตัมแคดเมียมซีลีไนด์ จุดควอนตัมแคดเมียมเทลลูไรด์ จุดควอนตัมสังกะสีซีลีไนด์ จุดควอนตัมตะกั่วซัลไฟด์ จุดซีลีเนียมจุดควอนตัมจุดควอนตัม จุด ฯลฯ
วัสดุจุดควอนตัมที่ใช้ในปัจจุบันส่วนใหญ่ประกอบด้วยชุดแคดเมียมซีลีไนด์ (CdSe) และชุดอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) QD Vision ส่วนใหญ่จะใช้แบบแรก ส่วนรุ่นหลังส่วนใหญ่จะใช้โดย Nanoco และ Nanosys ใช้จุดควอนตัมแบบไฮบริดของอินเดียมฟอสไฟด์และแคดเมียม วางแผน. จุดควอนตัมสองชนิดมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง แคดเมียมซีลีไนด์ดีกว่าประสิทธิภาพการส่องสว่างสูงและช่วงสีที่กว้างกว่า อินเดียมฟอสไฟด์ไม่มีแคดเมียมและไม่ถูกจำกัดโดยมาตรฐาน EU ROHS
1.3.2 วิธีการเตรียม
วิธีการผลิตจุดควอนตัมสามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็นสามประเภท: วิธีการเติบโตของสารละลายเคมี วิธีการเติบโตของเอพิเทเชียล และวิธีการกักสนามไฟฟ้า วิธีการผลิตทั้งสามประเภทนี้ยังสอดคล้องกับจุดควอนตัมสามประเภทที่แตกต่างกัน
การเติบโตของสารละลายเคมี
ในปี พ.ศ. 2536 ทีมวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์บาเวนดีแห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ได้สังเคราะห์จุดควอนตัมที่มีขนาดเท่ากันในสารละลายอินทรีย์เป็นครั้งแรก พวกเขาละลายธาตุออกซิเจนสามชนิด (กำมะถัน ซีลีเนียม และเทลลูเรียม) ในไตร-n-ออกทิลฟอสฟีนออกไซด์ แล้วทำปฏิกิริยากับไดเมทิลแคดเมียมในสารละลายอินทรีย์ที่อุณหภูมิ 200 ถึง 300 องศาเซลเซียส เพื่อผลิตวัสดุจุดควอนตัมที่สอดคล้องกัน (แคดเมียมซัลไฟด์) , แคดเมียมซีลีไนด์, แคดเมียมเทลลูไรด์). หลังจากนั้น ผู้คนได้คิดค้นวิธีการสังเคราะห์จุดควอนตัมคอลลอยด์โดยใช้วิธีการนี้หลายวิธี วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่สามารถสังเคราะห์ได้โดยวิธีการเติบโตของสารละลายเคมีเพื่อสร้างจุดควอนตัมที่สอดคล้องกัน
จุดควอนตัมคอลลอยด์มีข้อดีคือมีต้นทุนการผลิตต่ำ ให้ผลผลิตสูง และประสิทธิภาพการส่องสว่างสูง (โดยเฉพาะในแถบที่มองเห็นได้และแถบอัลตราไวโอเลต) แต่ข้อเสียคือค่าการนำไฟฟ้าต่ำมาก เนื่องจากลิแกนด์อินทรีย์ถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของจุดควอนตัมในระหว่างกระบวนการผลิต แรงดึงดูด Van der Waals ระหว่างจุดควอนตัมจึงถูกชดเชยเพื่อรักษาความเสถียรในสารละลาย แต่ชั้นของแกนด์อินทรีย์นี้ขัดขวางการถ่ายโอนประจุระหว่างจุดควอนตัมอย่างมาก ซึ่งช่วยลดการใช้นาโนคริสตัลในเซลล์แสงอาทิตย์และส่วนประกอบอื่นๆ ได้อย่างมาก นักวิทยาศาสตร์ได้ลองใช้วิธีการต่างๆ เพื่อเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าของประจุไฟฟ้าในวัสดุนี้ ในปีพ.ศ. 2546 ศาสตราจารย์ Guyot-Sionnest แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโกได้เปลี่ยนแกนด์อินทรีย์สายยาวแบบเดิมด้วยสารประกอบอะมิโนสายสั้น ลดระยะห่างจุดควอนตัม และฉีดอิเล็กตรอนจำนวนมากเข้าไปในจุดควอนตัมโดยวิธีเคมีไฟฟ้า ภายใน ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็น 0.01S/cm.
การเจริญเติบโตของ Epitaxial
วิธีการเติบโตของ epitaxial หมายถึงการเติบโตของผลึกใหม่บนวัสดุซับสเตรต ถ้าคริสตัลมีขนาดเล็กพอ จะเกิดจุดควอนตัม ตามกลไกการเติบโตที่แตกต่างกัน วิธีการนี้สามารถแบ่งออกเป็นการสะสมไอเคมีและ epitaxy ของลำแสงโมเลกุล
จุดควอนตัมที่ปลูกด้วยวิธีนี้จะเติบโตบนเซมิคอนดักเตอร์ประเภทอื่นและรวมเข้ากับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ เนื่องจากไม่มีลิแกนด์อินทรีย์ ประสิทธิภาพการถ่ายโอนประจุของจุดควอนตัม epitaxial จึงสูงกว่าจุดควอนตัมคอลลอยด์ และควบคุมระดับพลังงานได้ง่ายกว่าจุดควอนตัมคอลลอยด์ ในขณะเดียวกันก็ยังมีข้อดีของข้อบกพร่องที่พื้นผิวน้อยลง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากทั้งการสะสมไอเคมีและ epitaxy ของลำแสงโมเลกุลต้องการสุญญากาศสูงหรือสุญญากาศสูงพิเศษ ต้นทุนของจุดควอนตัม epitaxial จึงสูงกว่าจุดควอนตัมคอลลอยด์
วิธีการคุมขังสนามไฟฟ้า
วิธีการกักบริเวณสนามไฟฟ้าหมายถึงการใช้ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดโลหะอย่างเต็มที่เพื่อบิดเบือนระดับพลังงานในเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างข้อจำกัดบนตัวพา เนื่องจากขนาดของจุดควอนตัมที่ต้องการอยู่ที่ระดับนาโนเมตร อิเล็กโทรดโลหะจึงต้องถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยการสัมผัสลำแสงอิเล็กตรอน ต้นทุนสูงที่สุดและผลตอบแทนต่ำที่สุด อย่างไรก็ตาม จุดควอนตัมที่เกิดจากวิธีนี้สามารถควบคุมระดับพลังงาน จำนวนพาหะ และการหมุนได้ง่ายๆ โดยการปรับแรงดันเกต เนื่องจากความสามารถในการควบคุมที่สูงมาก จุดควอนตัมดังกล่าวจึงเหมาะสมที่สุดสำหรับการคำนวณควอนตัม
1.4 การใช้จุดควอนตัม
02
การประยุกต์ใช้การแสดงควอนตัมดอท
2.1 ประวัติ
ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 เนื่องจากการพัฒนาเทคโนโลยีการเติบโตของเซมิคอนดักเตอร์ epitaxial การเตรียมโครงสร้างนาโนจึงเป็นไปได้ ประการแรก โครงสร้างนาโนสองมิติบางชั้นที่เรียกว่าควอนตัมเวลส์ (QW) ถูกสังเคราะห์และศึกษาอย่างกว้างขวาง โครงสร้างชั้นบางระดับนาโนนี้เกิดจากการจัดเรียงวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองแบบที่แตกต่างกัน อิเล็กตรอนและรูถูกกักขังอยู่ในชั้นบางๆ ที่มีความหนาไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งมีผลการกักขังที่เห็นได้ชัด โดยการปรับอัตราส่วนองค์ประกอบ ช่องว่างแบนด์ของหลุมควอนตัมสามารถเปลี่ยนแปลงได้
ในปี 2554 Samsung Electronics ผลิตไดโอดเปล่งแสงจุดควอนตัมโดยใช้ชั้นอินทรีย์และอนินทรีย์เป็นชั้นการขนส่งอิเล็กตรอนและรูของชั้นเปล่งแสงจุดควอนตัมตามลำดับ ด้วยการกำหนดรูปแบบฟิล์มควอนตัมดอทด้วยวิธีการถ่ายโอน Samsung Electronics ได้ผลิตต้นแบบอุปกรณ์แสดงผล QLED แบบแอกทีฟแมทริกซ์ขนาด 4 นิ้ว ขั้นแรก นักวิจัยของ Samsung ใช้วิธีแก้ปัญหาจุดควอนตัมบนแผ่นซิลิกอน จากนั้นระเหย จากนั้นกดส่วนที่ยื่นออกมาเป็นชั้นควอนตัมดอท หลังจากลอกชั้นพื้นผิวออกแล้ว จะถูกย้ายไปยังพื้นผิวแก้วหรือพื้นผิวพลาสติก กระบวนการนี้ตระหนักถึงจุดควอนตัมไปยังพื้นผิว โอนย้าย. นักวิจัยกล่าวว่าพื้นผิวแก้วหรือพื้นผิวพลาสติกที่ยืดหยุ่นได้ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตต้นแบบการแสดงผล
ตั้งแต่ปี 2013 ได้มีการนำเทคโนโลยีการแสดงผลควอนตัมดอทมาใช้กับแผงจอภาพคริสตัลเหลว (LCD) ฟิล์มจุดควอนตัมถูกประกอบขึ้นระหว่างโมดูลแบ็คไลท์และเซลล์คริสตัลเหลว และนำไปใช้กับทีวีที่มีช่วงสีสูงและคอมพิวเตอร์แท็บเล็ตเพื่อให้ได้ช่วงสีที่กว้างขึ้น โดเมนและการใช้พลังงานต่ำ
Sony เปิดตัวทีวี LCD ระดับไฮเอนด์ที่ใช้เทคโนโลยีควอนตัมดอทในแบ็คไลท์ในเดือนมิถุนายน 2556 อเมซอนยังเปิดตัวคอมพิวเตอร์แท็บเล็ตที่ใช้จุดควอนตัมในไฟหลังจอ LCD ในเดือนตุลาคม 2556
2.2 ลักษณะการแสดงของจุดควอนตัม
1. ความบริสุทธิ์ของสีสูง สเปกตรัมการแผ่รังสีที่แคบ และการกระจายแบบสมมาตร
2. สเปกตรัมการแผ่รังสีสามารถปรับได้ และความยาวคลื่นการปล่อยสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการควบคุมขนาดและวัสดุของจุดควอนตัม ซึ่งจะเป็นการควบคุมสีที่เปล่งแสง
3. ประสิทธิภาพสีที่ดี ครอบคลุมช่วงสีที่มากกว่า 100% NTSC
4. ประสิทธิภาพการส่องสว่างสูง ประสิทธิภาพควอนตัมสูงถึง 90% และความเสถียรของแสงดี
5. มีศักยภาพที่จะรับรู้พิกเซลระดับนาโน ซึ่งสามารถใช้ในการผลิตหน้าจอที่มีความละเอียดสูงพิเศษ
