Wat is een Quantum Dot Display (QLED)?

Wat zijn kwantumdots?

1.1 Begrip

Quantum dots zijn halfgeleider nanostructuren die excitonen in drie ruimtelijke richtingen binden. Quantum dots zijn een belangrijk laagdimensionaal halfgeleidermateriaal en hun drie dimensies zijn niet meer dan tweemaal de exciton Bohr-straal (1-10 nm) van het overeenkomstige halfgeleidermateriaal.

Quantum dots zijn over het algemeen bolvormig of quasi-sferisch en hun diameter ligt vaak tussen 2-20 nm, terwijl de diameter van ons haar ongeveer 100.000 nm (100 m) is.

1.2 Kenmerken

Quantum dots zijn halfgeleiders op nanoniveau. Door een bepaald elektrisch veld of lichte druk op dit nano-halfgeleidermateriaal uit te oefenen, zullen ze licht met een specifieke frequentie uitzenden, en de frequentie van het uitgestraalde licht zal veranderen met de grootte van deze halfgeleider. Door de grootte van deze nano-halfgeleider aan te passen, kan daarom de kleur van het uitgestraalde licht worden gecontroleerd. Omdat deze nano-halfgeleider de eigenschap heeft elektronen en elektronengaten te beperken (Electron hole), is deze eigenschap vergelijkbaar met atomen of moleculen in de natuur. , Zogenaamde kwantumstippen.

Quantum dots zijn halfgeleider nanokristallen. Wanneer hun deeltjesgrootte kleiner is dan de Bohr-straal van het exciton, is het gemiddelde vrije pad van elektronen beperkt tot een klein bereik en is het gemakkelijk om excitonparen met gaten te vormen. De golffuncties van elektronen en gaten overlappen elkaar, wat resulteert in een excitonabsorptieband. Hoe kleiner de grootte van de quantum dot, hoe groter de kans op het vormen van excitonen en hoe hoger de concentratie van excitonen. Dit effect wordt kwantumbeperkingseffect genoemd. Het kwantumbeperkende effect van kwantumstippen maakt de optische prestaties ervan anders dan die van conventionele halfgeleidermaterialen. De energiebandstructuur vormt enkele exciton-energieniveaus nabij de onderkant van de geleidingsband, wat resulteert in excitonabsorptiebanden, en de recombinatie van excitonen zal fluorescentiestraling produceren. De grootte van kwantumstippen is anders, de mate waarin elektronen en gaten kwantumbegrensd zijn, is anders en hun discrete energieniveaustructuren zijn ook verschillend.

Naarmate de deeltjesgrootte afneemt, neemt de opsluitingsgraad van elektronen en gaten toe, wat leidt tot een toename van de kinetische energie van de twee, dat wil zeggen, een toename van de kwantumopsluitingsenergie, en de effectieve bandafstand van de kwantumstip wordt groter, en de overeenkomstige absorptie- en emissiespectra treden op. Blauwe verschuiving, en hoe kleiner de grootte, hoe groter de blauwverschuiving. Daarom kan, door de grootte van de kwantumdots aan te passen, het emissiespectrum van de kwantumdots worden aangepast.

Het energieniveau van de kwantumdot wordt gesplitst vanwege het kwantumbegrenzingseffect, en de halfgeleiderbandafstand neemt toe naarmate de grootte van het nanokristal afneemt.

De belangrijkste eigenschappen van kwantumstippen

1.3 Voorbereiding

1.3.1 Materialen

Gemeenschappelijke kwantumstippen zijn samengesteld uit IV-, II-VI-, IV-VI- of III-V-elementen. Specifieke voorbeelden zijn silicium quantum dots, germanium quantum dots, cadmiumsulfide quantum dots, cadmium selenide quantum dots, cadmium telluride quantum dots, zinkselenide quantum dots, loodsulfide quantum dots, loodselenide quantum dots, indium fosfide quantum dots Dots en indiumarsenide quantum stippen, enz.

Momenteel gebruikte quantum dot-materialen omvatten voornamelijk cadmiumselenide (CdSe) -series en indiumfosfide (InP) -series. De eerste wordt voornamelijk gebruikt door QD Vision, de laatste wordt voornamelijk gebruikt door Nanoco en Nanosys gebruikt indiumfosfide en cadmium hybride quantum dots. plan. Twee soorten quantum dots hebben hun eigen voor- en nadelen. Cadmiumselenide is beter dan een hoge lichtopbrengst en een breder kleurengamma. Indiumfosfide bevat geen cadmium en wordt niet beperkt door de EU ROHS-norm.

1.3.2 Bereidingswijze

De fabricagemethoden van kwantumstippen kunnen grofweg worden onderverdeeld in drie categorieën: groeimethode voor chemische oplossingen, epitaxiale groeimethode en opsluitingsmethode voor elektrische velden. Deze drie soorten fabricagemethoden komen ook overeen met drie verschillende soorten kwantumstippen.

Chemische oplossing groei

In 1993 synthetiseerde een onderzoeksteam onder leiding van professor Bawendi van het Massachusetts Institute of Technology voor het eerst kwantumstippen van uniforme grootte in een organische oplossing. Ze losten drie zuurstofelementen (zwavel, selenium en tellurium) op in tri-n-octylfosfineoxide en reageerden vervolgens met dimethylcadmium in een organische oplossing bij 200 tot 300 graden Celsius om het overeenkomstige kwantumpuntmateriaal (cadmiumsulfide) te produceren. , cadmiumselenide, cadmiumtelluride). Daarna hebben mensen op basis van deze methode veel methoden uitgevonden om colloïdale kwantumstippen te synthetiseren. De meeste halfgeleidermaterialen kunnen worden gesynthetiseerd door chemische groeimethoden in oplossing om overeenkomstige kwantumdots te produceren.

Colloïdale kwantumdots hebben de voordelen van lage productiekosten, hoge opbrengst en hoge lichtopbrengst (vooral in de zichtbare en ultraviolette banden). Maar het nadeel is dat de geleidbaarheid extreem laag is. Omdat tijdens het productieproces organische liganden op het oppervlak van de kwantumdots worden gegenereerd, wordt de van der Waals-aantrekking tussen de kwantumdots gecompenseerd om de stabiliteit in de oplossing te behouden. Maar deze laag organische liganden belemmert de overdracht van ladingen tussen kwantumdots enorm. Hierdoor wordt de toepassing van nanokristallen in zonnecellen en andere componenten sterk verminderd. Wetenschappers hebben verschillende methoden geprobeerd om de geleidbaarheid van elektrische ladingen in dit materiaal te vergroten. In 2003 verving professor Guyot-Sionnest van de Universiteit van Chicago de oorspronkelijke organische liganden met een lange keten door aminoverbindingen met een kortere keten, verkleinde de afstand tussen de kwantumpunten en injecteerde een groot aantal elektronen in de kwantumdots door middel van elektrochemische methoden. Binnenin wordt de geleidbaarheid verhoogd tot 0,01S/cm.

epitaxiale groei

De epitaxiale groeimethode verwijst naar de groei van nieuwe kristallen op een substraatmateriaal. Als de kristallen klein genoeg zijn, ontstaan ​​er kwantumstippen. Volgens het verschillende groeimechanisme kan deze methode worden onderverdeeld in chemische dampafzetting en moleculaire bundelepitaxie.

De kwantumstippen die met deze methode worden gekweekt, groeien op een ander type halfgeleider en zijn gemakkelijk te combineren met traditionele halfgeleiderapparaten. Bovendien, omdat er geen organische liganden zijn, is de efficiëntie van de ladingsoverdracht van epitaxiale kwantumdots hoger dan die van colloïdale kwantumdots, en is het energieniveau gemakkelijker te regelen dan colloïdale kwantumdots. Tegelijkertijd heeft het ook de voordelen van minder oppervlaktedefecten. Omdat zowel chemische dampafzetting als moleculaire bundelepitaxie echter een hoog vacuüm of ultrahoog vacuüm vereisen, zijn de kosten van epitaxiale kwantumdots hoger dan die van colloïdale kwantumdots.

Elektrisch veld opsluiting methode

De elektrische veldopsluitingsmethode verwijst naar het volledige gebruik van de elektrische potentiaal van de metalen elektrode om het energieniveau in de halfgeleider te vervormen om een ​​beperking op de dragers te vormen. Aangezien de vereiste grootte van kwantumdots op nanometerniveau ligt, moet de metalen elektrode worden gefabriceerd door blootstelling aan elektronenstralen. De kosten zijn het hoogst en de opbrengst het laagst. De kwantumstippen die door deze methode worden geproduceerd, kunnen echter hun energieniveau, aantal dragers en spin regelen door simpelweg de poortspanning aan te passen. Door de extreem hoge beheersbaarheid zijn dergelijke quantum dots ook het meest geschikt voor quantum computing.

1.4 Gebruik van kwantumstippen

02

Toepassing van quantum dot-weergave

2.1 Geschiedenis

In het begin van de jaren zeventig werd door de ontwikkeling van epitaxiale groeitechnologie voor halfgeleiders de vervaardiging van nanostructuren mogelijk. Allereerst werden tweedimensionale nanostructuren met een dunne laag genaamd Quantum Wells (QW) gesynthetiseerd en uitgebreid bestudeerd. Deze nanodunne laagstructuur wordt gevormd door de opstelling van twee verschillende halfgeleidermaterialen. De elektronen en gaten zijn opgesloten in een dunne laag van enkele nanometers dik, wat een duidelijk opsluitingseffect heeft. Door de compositieverhouding aan te passen, kan de bandafstand van de kwantumput worden gewijzigd.

In 2011 produceerde Samsung Electronics quantum dot light-emitting diodes met organische en anorganische lagen als respectievelijk de elektronen- en gatentransportlagen van de quantum dot light-emitting laag. Door de quantum dot-film van een patroon te voorzien door middel van de overdrachtsmethode, heeft Samsung Electronics een prototype van een 4-inch full-color actieve matrix QLED-weergaveapparaat geproduceerd. Samsung-onderzoekers brengen de quantum dot-oplossing eerst aan op een siliciumplaat, verdampen dan en drukken het uitstekende deel vervolgens in een quantum dot-laag. Na het verwijderen van de oppervlaktelaag wordt deze overgebracht op een glassubstraat of een plastic substraat. Dit proces realiseert de kwantumstip op het substraat. Overdracht. De onderzoekers zeiden dat glassubstraten of flexibele plastic substraten zijn gebruikt om de productie van display-prototypes te bereiken.

Sinds 2013 wordt quantum dot-displaytechnologie toegepast op LCD-panelen (liquid crystal display). Een kwantumdotfilm wordt gemonteerd tussen de achtergrondverlichtingsmodule en de vloeibaar-kristalcel en aangebracht op tv's met een groot kleurengamma en tabletcomputers om een ​​breder scala aan kleuren te bereiken. Domein en lager stroomverbruik.

Sony lanceerde in juni 2013 een high-end lcd-tv-model dat quantum dot-technologie in de achtergrondverlichting gebruikt; Amazon lanceerde in oktober 2013 ook een tabletcomputer die gebruikmaakt van kwantumstippen in de LCD-achtergrondverlichting.

2.2 Weergavekenmerken van kwantumdots

1. Hoge kleurenzuiverheid, smalle piek van het emissiespectrum en symmetrische distributie;

2. Het emissiespectrum is instelbaar en de emissiegolflengte kan worden gewijzigd door de grootte en het materiaal van de kwantumstippen te regelen, waardoor de lichtemitterende kleur wordt geregeld;

3. Goede kleurprestaties, met een kleurenbereik van meer dan 100% NTSC;

4. Het lichtrendement is hoog, het kwantumrendement is zo hoog als 90% en de lichtstabiliteit is goed;

5. Het heeft de potentie om pixels op nanoniveau te realiseren, die kunnen worden gebruikt om schermen met ultrahoge resolutie te maken.