量子點

不同大小的CdSe量子點暴露在紫外光下會發出不同顏色的螢光
量子點中3D受束縛的電子波函數。如圖所示為方形和三角形量子點。方形量子點中的電子態更像s軌域和p軌域。然而,由於不同的幾何形態導致不同的束縛,三角形量子點中的波函數則是多種軌域混合的結果。

量子點(英語:Quantum Dot)是在把激子在三個空間方向上束縛住的半導體奈米結構。這種約束可以歸結於靜電勢(由外部的電極,摻雜,應變,雜質產生),兩種不同半導體材料的界面(例如:在自組量子點中),半導體的表面(例如:半導體奈米晶體),或者以上三者的結合。量子點具有分離的量子化的能譜。所對應的波函數在空間上位於量子點中,但延伸於數個晶格周期中。一個量子點具有少量的(1-100個)整數個的電子、電洞或電子電洞對,即其所帶的電量是元電荷的整數倍。

描述

 
Quantum Dots with emission maxima in a 10-nm step are being produced in a kg scale at PlasmaChem GmbH

小的量子點,例如膠體半導體奈米晶,可以小到只有2到10個奈米,這相當於10到50個原子的直徑的尺寸,在一個量子點體積中可以包含100到100,000個這樣的原子。自組裝量子點的典型尺寸在10到50奈米之間。通過光刻成型的門電極或者刻蝕半導體異質結中的二維電子氣形成的量子點橫向尺寸可以超過100奈米。將10奈米尺寸的三百萬個量子點首尾相接排列起來可以達到人類拇指的寬度。

製造

量子點的製造方法可以大致分為三類:化學溶液生長法,外延生長法,電場約束法。這三類製造方法也分別對應了三種不同種類的量子點。

化學溶液生長法

1981年,瑞士物理學家在水溶液中合成出了硫化鎘膠體。[1] 1983年,貝爾實驗室科學家Brus證明了改變硫化鎘膠體的大小,其激子能量也隨之變化。於是,他將這種這種膠體與量子點的概念聯繫起來,首次提出膠狀量子點(colloidal quantum dot)。[2] 1993年,麻省理工學院Bawendi教授領導的科研小組第一次在有機溶液中合成出了大小均一的量子點。[3]他們將三種氧族元素()溶解在三正辛基氧膦中,而後在200到300攝氏度的有機溶液中與二甲基鎘反應,生成相應的量子點材料(硫化鎘,硒化鎘,碲化鎘)。之後人們在此種方法的基礎上發明出了許多合成膠狀量子點的方法。目前大部分半導體材料都可以用化學溶液生長的方法合成出相應的量子點。

膠狀量子點具有製作成本低,產率大,發光效率高(尤其是在可見光和紫外光波段)等優點。但缺點是電導率極低。由於在生產過程中在量子點表面產生有機配體,抵消量子點之間的范德瓦耳斯吸引力,以維持其在溶液中的穩定性。但這層有機配體極大的阻礙了電荷在量子點之間的傳輸。這點大大降低了奈米微晶在太陽電池和其它的元件上的應用。科學家們曾嘗試用各種方法提高電荷在這種材料中的傳導率。有代表性的是2003年芝加哥大學的Guyot-Sionnest教授用較短鏈的氨基物取代原有的長鏈的有機配體,將量子點間距縮小,並用電化學的方法將電子大量注入量子點內,將電導率提高到了0.01S/cm。[4]

2009年,芝加哥大學的Dmitri Talapin教授開發出一種新的方法,用無機物取代了之前附著在量子點表面的有機配體,能讓個別奈米微晶以強連結的方式相互結合成陣列,克服了前述的問題。Talapin表示,他們的方法提供一個材料設計的多功能的平台,將會對電子元件、光伏元件和熱電(thermoelectrics)元件的製作帶來衝擊。另外,此方法提高全溶液(all-solution)元件製作的可能性,讓此材料在連續式滾筒(roll-to-roll)製程的應用上增添不少吸引力,例如薄膜太陽能電池的製作。研究人員使用一種名為複合金屬硫化物(metal chalcogenide complex)的材料,來將膠體狀的奈米晶體相互黏合。其配位基較先前使用的有機配位基更為穩定、堅固,而且不會改變奈米晶體的化學性質,還可讓奈米晶體間的電荷轉移更有效率。Talapin等人確實觀察到系統中的導電率相比於以往方法得到的提高了一千倍。目前,該團隊正在研究如何在實際應用上使用奈米晶體的連接技術,並且調查除了金屬硫化物材料外,是否還有其它合適的材料。芝加哥大學已授權Evident Technologies公司在熱電應用上採用此技術。[5]

膠體量子點的另一個熱點領域是磁性研究。直到目前,半導體只能在相當低溫下呈現磁性,原因是磁化半導體奈米微粒需要靠激子(exciton)之間的磁性交互作用,但此作用的強度在30 K附近就不足以對抗熱效應。

最近,華盛頓大學的Daniel Gamelin等人製造出摻雜的奈米微晶,它們的量子局限效應(quantum confinement effect)使激子具有很大的磁性交互作用,且生命周期可長達100 ns,比先前的記錄200皮秒(picosecond, ps)高出很多。研究人員利用光將激子注入膠狀奈米微晶中,產生相當強的光誘發磁化(light-induced magnetization)現象。

華大團隊成功的關鍵在於以磁性錳離子取代鎘化硒(CdSe)半導體奈米微晶中的部份鎘離子。這些懸浮在膠狀溶液中的微晶大小不到10 nm,照光時內部產生的強大磁場可將錳離子的自旋完全排正。Gamelin表示,排正的過程非常快,此效應在低溫時非常強,且可維持到室溫。這要歸功於第一次在研究中被觀察到的高溫磁激子(excitonic magnetic polaron, EMP)。Gamelin解釋,由於摻質-載子間的交互作用夠強,EMP穩定性因而增強超過100倍,所以才能在300 K下觀察到磁化效應。

美國科學家開發出一種新型的電子膠(electronic glue),能將個別的奈米晶體(nanocrystals)連接在一起。這種電子膠還能用來製作大面積的電子元件和光伏(photovoltaics)元件。

利用旋轉或浸泡塗布(dip coating)和噴墨印刷等溶液類製程來製作大面積太陽電池,例如便宜的屋頂太陽能面板,是高成本效益的方法。不過這些技術必須讓半導體溶解,以方便做為墨水(ink)使用。半導體奈米微晶是微小的半導體塊狀物,是製作此類墨水的理想材料。

此外,膠狀半導體量子點與軟式微影術(soft lithography)及噴墨印刷術(in-jet printing)等常見的製程相容。Gamelin認為膠體可望成為奈米科技在各種元件應用上的新工具箱。[6]

外延生長法

外延生長法是指在一種襯底材料上長出新的結晶,如果結晶足夠小,就會形成量子點。根據生長機理的不同,該方法又可以細分成化學氣相沉積法和分子束外延法。

這種方法生長出的量子點長在另一種半導體上,很容易與傳統半導體器件結合。另外由於沒有有機配體,外延量子點的電荷傳輸效率比膠體量子點高,並且能階也比膠體量子點更容易調控。同時,也具有表面的缺陷少等優點。然而,由於化學氣相沉積和分子束外延都需要高真空或超高真空,因此相比於膠體量子點,外延量子點的成本較高。

電場約束法

電場約束法是指,完全利用調控金屬電極的電勢使半導體內的能階發生扭曲,形成對載流子的約束。由於量子點所需尺寸在奈米級別,因此金屬電極需要用電子束曝光的方法製作。成本最高,產率也最低。但用這種方法製作出的量子點,可以簡單通過調控門電壓容易控制其能階,載流子的數量和自旋等。由於極高的可控性,這種量子點也最適合於用作量子計算。[7]

大規模生產

應用

  • 量子點LED可以達到接近連續光譜,高演色性的特性;目前人工光源只有高耗能的白熾燈、鹵素燈能達到連續光譜的特性,是LED、螢光燈無法取代的重要特性;量子點LED可望滿足光線品質及健康較為要求使用者,達到全面淘汰高耗能光源的目標。
  • 量子點顯示技術可以達到更好的色彩顯示特性。
  • 「量子點螢幕」採用的是麻省理工大學研發的量子點技術,Sony的Triluminos螢幕正是使用了該技術

另見

參考文獻

  1. ^ Kuppuswamy Kalyanasundaram; 等. Cleavage of Water by Visible-Light Irradiation of Colloidal CdS Solutions; Inhibition of Photocorrosion by RuO2. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1981, 20: 987. doi:10.1002/anie.198109871. 
  2. ^ R. Rossetti; 等. Quantum size effects in the redox potentials, resonance Raman spectra, and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solution. J. Chem. Phys. 1983, 79: 1086–1088. doi:10.1063/1.445834. 
  3. ^ Murray; 等. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE(E = sulfur, selenium, tellurium)semiconductor nanocrystallites. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115: 8706–8715. doi:10.1021/ja00072a025. 
  4. ^ Dong Yu; 等. n-type conducting CdSe nanocrystal solids. Science. 2003, 300: 1277–1280. doi:10.1126/science.1084424. 
  5. ^ Kovalenko; 等. Colloidal Nanocrystals with Molecular Metal Chalcogenide Surface Ligands. Science. 2009, 324: 1417–1420. doi:10.1126/science.1170524. 
  6. ^ Beaulac; 等. Light-Induced Spontaneous Magnetization in Doped Colloidal Quantum Dots. Science. 2009, 325: 973–976. doi:10.1126/science.1174419. 
  7. ^ Prati, Enrico; De Michielis, Marco; 等. Few electron limit of n-type metal oxide semiconductor single electron transistors. Nanotechnology. 2012, 23 (21): 215204. arXiv:1203.4811. Bibcode:2012Nanot..23u5204P. doi:10.1088/0957-4484/23/21/215204. PMID 22552118.