Ce este un afișaj cu puncte cuantice (QLED)?

Ce sunt punctele cuantice?

1.1 Concept

Punctele cuantice sunt nanostructuri semiconductoare care leagă excitonii în trei direcții spațiale. Punctele cuantice sunt un material semiconductor important de dimensiuni reduse, iar cele trei dimensiuni ale acestora nu sunt mai mult de două ori mai mari decât raza excitonului Bohr (1-10 nm) a materialului semiconductor corespunzător.

Punctele cuantice sunt în general sferice sau cvasi-sferice, iar diametrul lor este adesea între 2-20 nm, în timp ce diametrul părului nostru este de aproximativ 100.000 nm (100 μm).

1.2 Caracteristici

Punctele cuantice sunt semiconductori la nivel nano. Aplicând un anumit câmp electric sau o presiune ușoară acestui material nano-semiconductor, ei vor emite lumină cu o anumită frecvență, iar frecvența luminii emise se va modifica odată cu dimensiunea acestui semiconductor. Prin urmare, prin ajustarea dimensiunii acestui nano-semiconductor, culoarea luminii emise poate fi controlată. Deoarece acest nano-semiconductor are caracteristica de a limita electronii și găurile de electroni (Electron hole), această caracteristică este similară cu atomii sau moleculele din natură. , Astfel numite puncte cuantice.

Punctele cuantice sunt nanocristale semiconductoare. Când dimensiunea particulelor lor este mai mică decât raza Bohr a excitonului, calea liberă medie a electronilor este limitată la un interval mic și este ușor să se formeze perechi de excitoni cu găuri. Funcțiile de undă ale electronilor și ale găurilor se suprapun, rezultând o bandă de absorbție a excitonilor. Cu cât dimensiunea punctului cuantic este mai mică, cu atât este mai mare probabilitatea de a forma excitoni și concentrația de excitoni este mai mare. Acest efect se numește efect de izolare cuantică. Efectul de confinare cuantică al punctelor cuantice face ca performanța sa optică să fie diferită de materialele semiconductoare convenționale. Structura sa de bandă de energie formează niște niveluri de energie de exciton în apropierea fundului benzii de conducere, rezultând benzi de absorbție a excitonilor, iar recombinarea excitonilor va produce radiații de fluorescență. Dimensiunea punctelor cuantice este diferită, gradul în care electronii și găurile sunt limitate cuantice este diferit și structurile lor discrete ale nivelului de energie sunt, de asemenea, diferite.

Pe măsură ce dimensiunea particulelor scade, gradul de izolare a electronilor și a găurilor crește, ceea ce duce la o creștere a energiei cinetice a celor două, adică o creștere a energiei de confinare cuantică, iar intervalul efectiv de bandă al punctului cuantic se lărgește și spectrele de absorbție și emisie corespunzătoare apar deplasare la albastru, iar cu cât dimensiunea este mai mică, cu atât deplasarea la albastru este mai mare. Prin urmare, prin ajustarea dimensiunii punctelor cuantice, spectrul de emisie al punctelor cuantice poate fi ajustat.

Nivelul de energie al punctului cuantic este împărțit din cauza efectului de confinare cuantică, iar intervalul benzii semiconductoare crește pe măsură ce dimensiunea nanocristalului scade.

Principalele proprietăți ale punctelor cuantice

1.3 Pregătire

1.3.1 Materiale

Punctele cuantice comune sunt compuse din elemente IV, II-VI, IV-VI sau III-V. Exemple specifice sunt puncte cuantice de siliciu, puncte cuantice de germaniu, puncte cuantice de sulfură de cadmiu, puncte cuantice cu seleniră de cadmiu, puncte cuantice cu telurura de cadmiu, puncte cuantice cu seleniră de zinc, puncte cuantice cu sulfură de plumb, puncte cuantice cu seleniră de plumb, puncte cuantice cu fosfură de indiu Puncte și arsenid de indiu. puncte, etc.

Materialele cu puncte cuantice utilizate în prezent includ în principal seria de seleniră de cadmiu (CdSe) și seria de fosfură de indiu (InP). Primul este folosit în principal de QD Vision, al doilea este folosit în principal de Nanoco, iar Nanosys utilizează puncte cuantice hibride de fosfură de indiu și cadmiu. plan. Două tipuri de puncte cuantice au propriile avantaje și dezavantaje. Selenura de cadmiu este mai bună decât eficiența luminoasă ridicată și o gamă de culori mai largă. Fosfura de indiu nu conține cadmiu și nu este restricționată de standardul UE ROHS.

1.3.2 Metoda de preparare

Metodele de fabricație a punctelor cuantice pot fi împărțite aproximativ în trei categorii: metoda de creștere a soluției chimice, metoda de creștere epitaxială și metoda de izolare a câmpului electric. Aceste trei tipuri de metode de fabricație corespund, de asemenea, la trei tipuri diferite de puncte cuantice.

Creșterea soluției chimice

În 1993, o echipă de cercetare condusă de profesorul Bawendi de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts a sintetizat pentru prima dată puncte cuantice de mărime uniformă într-o soluție organică. Au dizolvat trei elemente de oxigen (sulf, seleniu și teluriu) în oxid de tri-n-octil fosfină și apoi au reacționat cu dimetil cadmiu într-o soluție organică la 200 până la 300 de grade Celsius pentru a produce materialul cu puncte cuantice corespunzător (sulfura de cadmiu). , Selenura de cadmiu, telurura de cadmiu). După aceea, oamenii au inventat multe metode de sinteză a punctelor cuantice coloidale pe baza acestei metode. Majoritatea materialelor semiconductoare pot fi sintetizate prin metode de creștere a soluțiilor chimice pentru a produce puncte cuantice corespunzătoare.

Punctele cuantice coloidale au avantajele unui cost de producție scăzut, randament ridicat și eficiență luminoasă ridicată (în special în benzile vizibile și ultraviolete). Dar dezavantajul este că conductivitatea este extrem de scăzută. Deoarece liganzii organici sunt generați pe suprafața punctelor cuantice în timpul procesului de producție, atracția van der Waals dintre punctele cuantice este compensată pentru a-și menține stabilitatea în soluție. Dar acest strat de liganzi organici împiedică foarte mult transferul de sarcini între punctele cuantice. Acest lucru reduce foarte mult aplicarea nanocristalelor în celulele solare și alte componente. Oamenii de știință au încercat diferite metode pentru a crește conductivitatea sarcinilor electrice din acest material. În mod reprezentativ, în 2003, profesorul Guyot-Sionnest de la Universitatea din Chicago a înlocuit liganzii organici cu lanț lung inițiali cu compuși amino cu lanț mai scurt, a redus distanța dintre punctele cuantice și a injectat un număr mare de electroni în punctele cuantice prin metode electrochimice. În interior, conductivitatea este crescută la 0,01 S/cm.

Creșterea epitaxială

Metoda de creștere epitaxială se referă la creșterea de noi cristale pe un material substrat. Dacă cristalele sunt suficient de mici, se vor forma puncte cuantice. În funcție de mecanismul de creștere diferit, această metodă poate fi subdivizată în depunere chimică de vapori și epitaxie cu fascicul molecular.

Punctele cuantice crescute prin această metodă cresc pe un alt tip de semiconductor și sunt ușor combinate cu dispozitivele semiconductoare tradiționale. În plus, deoarece nu există liganzi organici, eficiența transferului de sarcină a punctelor cuantice epitaxiale este mai mare decât cea a punctelor cuantice coloidale, iar nivelul de energie este mai ușor de controlat decât punctele cuantice coloidale. În același timp, are și avantajele mai puține defecte de suprafață. Cu toate acestea, deoarece atât depunerea chimică de vapori, cât și epitaxia fasciculului molecular necesită vid înalt sau vid ultra-înalt, costul punctelor cuantice epitaxiale este mai mare decât cel al punctelor cuantice coloidale.

Metoda de confinare a câmpului electric

Metoda de limitare a câmpului electric se referă la utilizarea deplină a potențialului electric al electrodului metalic pentru a distorsiona nivelul de energie din semiconductor pentru a forma o constrângere asupra purtătorilor. Deoarece dimensiunea necesară a punctelor cuantice este la nivelul nanometrului, electrodul metalic trebuie să fie fabricat prin expunerea la fascicul de electroni. Costul este cel mai mare, iar randamentul este cel mai mic. Cu toate acestea, punctele cuantice produse prin această metodă își pot controla nivelul de energie, numărul de purtători și rotația pur și simplu prin ajustarea tensiunii porții. Datorită controlabilității extrem de ridicate, astfel de puncte cuantice sunt, de asemenea, cele mai potrivite pentru calculul cuantic.

1.4 Utilizări ale punctelor cuantice

02

Aplicarea afișajului cu puncte cuantice

2.1 Istorie

La începutul anilor 1970, datorită dezvoltării tehnologiei de creștere epitaxială a semiconductoarelor, pregătirea nanostructurilor a devenit posibilă. În primul rând, nanostructurile bidimensionale în strat subțire numite Quantum Wells (QW) au fost sintetizate și studiate pe larg. Această structură de strat nano-subțire este formată prin aranjarea a două materiale semiconductoare diferite. Electronii și găurile sunt închise într-un strat subțire de câțiva nanometri grosime, ceea ce are un efect evident de izolare. Prin ajustarea raportului de compoziție, banda interzisă a sondei cuantice poate fi modificată.

În 2011, Samsung Electronics a produs diode emițătoare de lumină cu puncte cuantice folosind straturi organice și anorganice ca straturi de transport de electroni și, respectiv, găuri ale stratului emițător de lumină cu puncte cuantice. Prin modelarea filmului cu puncte cuantice prin metoda de transfer, Samsung Electronics a produs un prototip de dispozitiv de afișare QLED cu matrice activă full-color de 4 inci. Cercetătorii Samsung aplică mai întâi soluția de puncte cuantice pe o placă de siliciu, apoi se evaporă și apoi presează partea proeminentă într-un strat de puncte cuantice. După îndepărtarea stratului de suprafață, acesta este transferat pe un substrat de sticlă sau un substrat de plastic. Acest proces realizează punctul cuantic pe substrat. Transfer. Cercetătorii săi au spus că substraturi de sticlă sau substraturi flexibile din plastic au fost folosite pentru a realiza producția de prototipuri de afișaj.

Din 2013, tehnologia de afișare cu puncte cuantice a fost aplicată panourilor cu afișaj cu cristale lichide (LCD). O peliculă cu puncte cuantice este asamblată între modulul de iluminare de fundal și celula cu cristale lichide și aplicată pe televizoare cu gamă înaltă de culori și tablete pentru a obține o gamă mai largă de culori. Domeniu și consum redus de energie.

Sony a lansat un model de televizor LCD de ultimă generație care folosește tehnologia de puncte cuantice în lumina de fundal în iunie 2013; De asemenea, Amazon a lansat o tabletă care folosește puncte cuantice în iluminarea de fundal LCD în octombrie 2013.

2.2 Caracteristicile de afișare ale punctelor cuantice

1. Puritate ridicată a culorii, vârf îngust cu spectru de emisie și distribuție simetrică;

2. Spectrul de emisie este reglabil, iar lungimea de undă de emisie poate fi modificată controlând dimensiunea și materialul punctelor cuantice, controlând astfel culoarea care emite lumină;

3. Performanță bună de culoare, acoperind o gamă de culori mai mare de 100% NTSC;

4. Eficiența luminoasă este mare, eficiența cuantică este de până la 90%, iar stabilitatea luminii este bună;

5. Are potențialul de a realiza pixeli la nivel nano, care pot fi utilizați pentru a fabrica ecrane cu rezoluție ultra-înaltă.