Was ist ein Quantenpunktdisplay (QLED)?
Dec 09, 2021
Was sind Quantenpunkte?
1.1 Konzept
Quantenpunkte sind Halbleiter-Nanostrukturen, die Exzitonen in drei Raumrichtungen binden. Quantenpunkte sind ein wichtiges niederdimensionales Halbleitermaterial, und ihre drei Dimensionen sind nicht mehr als das Doppelte des Exziton-Bohr-Radius (1-10 nm) des entsprechenden Halbleitermaterials.
Quantenpunkte sind im Allgemeinen kugelförmig oder quasi-kugelförmig und ihr Durchmesser liegt oft zwischen 2-20 nm, während der Durchmesser unserer Haare etwa 100.000 nm (100 µm) beträgt.
1.2 Funktionen
Quantenpunkte sind Halbleiter auf Nanoebene. Durch Anlegen eines bestimmten elektrischen Felds oder Lichtdrucks an dieses Nano-Halbleitermaterial emittieren sie Licht einer bestimmten Frequenz, und die Frequenz des emittierten Lichts ändert sich mit der Größe dieses Halbleiters. Daher kann durch Einstellen der Größe dieses Nano-Halbleiters die Farbe des emittierten Lichts gesteuert werden. Da dieser Nano-Halbleiter die Eigenschaft hat, Elektronen und Elektronenlöcher (Elektronenloch) zu begrenzen, ähnelt diese Eigenschaft Atomen oder Molekülen in der Natur. , So genannte Quantenpunkte.
Quantenpunkte sind Halbleiter-Nanokristalle. Wenn ihre Teilchengröße kleiner als der Bohrsche Radius des Exzitons ist, ist die mittlere freie Weglänge der Elektronen auf einen kleinen Bereich beschränkt, und es ist leicht, Exzitonenpaare mit Löchern zu bilden. Die Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern überlappen, was zu einer Exzitonen-Absorptionsbande führt. Je kleiner der Quantenpunkt ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, Exzitonen zu bilden und desto höher ist die Konzentration der Exzitonen. Dieser Effekt wird als Quanteneinschlusseffekt bezeichnet. Der Quanteneinschlusseffekt von Quantenpunkten unterscheidet seine optische Leistung von herkömmlichen Halbleitermaterialien. Seine Energiebandstruktur bildet einige Exzitonenenergieniveaus nahe dem unteren Ende des Leitungsbandes, was zu Exzitonen-Absorptionsbändern führt, und die Rekombination von Exzitonen erzeugt Fluoreszenzstrahlung. Die Größe der Quantenpunkte ist unterschiedlich, der Grad, in dem Elektronen und Löcher quantenbegrenzt sind, ist unterschiedlich, und auch ihre diskreten Energieniveaustrukturen sind unterschiedlich.
Wenn die Teilchengröße abnimmt, nimmt der Einschlussgrad von Elektronen und Löchern zu, was zu einer Erhöhung der kinetischen Energie der beiden führt, d die entsprechenden Absorptions- und Emissionsspektren treten auf. Blauverschiebung, und je kleiner die Größe, desto größer die Blauverschiebung. Daher kann durch Anpassen der Größe der Quantenpunkte das Emissionsspektrum der Quantenpunkte angepasst werden.
Das Energieniveau des Quantenpunktes wird aufgrund des Quanteneinschlusseffekts aufgespalten und die Halbleiterbandlücke nimmt mit abnehmender Größe des Nanokristalls zu.
Die wichtigsten Eigenschaften von Quantenpunkten
1.3 Vorbereitung
1.3.1 Materialien
Übliche Quantenpunkte bestehen aus IV-, II-VI-, IV-VI- oder III-V-Elementen. Spezifische Beispiele sind Silizium-Quantenpunkte, Germanium-Quantenpunkte, Cadmiumsulfid-Quantenpunkte, Cadmiumselenid-Quantenpunkte, Cadmiumtellurid-Quantenpunkte, Zinkselenid-Quantenpunkte, Bleisulfid-Quantenpunkte, Bleiselenid-Quantenpunkte, Indiumphosphid-Quantenpunkte Punkte usw.
Derzeit verwendete Quantenpunktmaterialien umfassen hauptsächlich die Cadmiumselenid (CdSe)-Reihe und die Indiumphosphid (InP)-Reihe. Ersteres wird hauptsächlich von QD Vision verwendet, letzteres hauptsächlich von Nanoco und Nanosys verwendet Indiumphosphid- und Cadmium-Hybrid-Quantenpunkte. planen. Zwei Arten von Quantenpunkten haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Cadmiumselenid ist besser als eine hohe Lichtausbeute und ein breiterer Farbraum. Indiumphosphid enthält kein Cadmium und unterliegt keinen Beschränkungen durch die EU-ROHS-Norm.
1.3.2 Zubereitungsmethode
Die Herstellungsverfahren von Quantenpunkten können grob in drei Kategorien eingeteilt werden: chemische Lösungswachstumsverfahren, epitaktische Wachstumsverfahren und elektrische Feldbegrenzungsverfahren. Diese drei Arten von Herstellungsverfahren entsprechen auch drei verschiedenen Arten von Quantenpunkten.
Wachstum chemischer Lösungen
1993 synthetisierte ein Forschungsteam um Professor Bawendi vom Massachusetts Institute of Technology erstmals Quantenpunkte einheitlicher Größe in einer organischen Lösung. Sie lösten drei Sauerstoffelemente (Schwefel, Selen und Tellur) in Tri-n-octylphosphinoxid und reagierten dann mit Dimethylcadmium in einer organischen Lösung bei 200 bis 300 Grad Celsius zum entsprechenden Quantenpunktmaterial (Cadmiumsulfid). , Cadmiumselenid, Cadmiumtellurid). Danach erfanden die Menschen viele Methoden zur Synthese kolloidaler Quantenpunkte auf der Grundlage dieser Methode. Die meisten Halbleitermaterialien können durch chemische Lösungswachstumsverfahren synthetisiert werden, um entsprechende Quantenpunkte zu erzeugen.
Kolloidale Quantenpunkte haben die Vorteile geringer Produktionskosten, hoher Ausbeute und hoher Lichtausbeute (insbesondere im sichtbaren und ultravioletten Band). Der Nachteil ist jedoch, dass die Leitfähigkeit extrem gering ist. Da während des Herstellungsprozesses organische Liganden auf der Oberfläche der Quantenpunkte erzeugt werden, wird die Van-der-Waals-Anziehung zwischen den Quantenpunkten ausgeglichen, um ihre Stabilität in der Lösung zu erhalten. Aber diese Schicht organischer Liganden behindert den Ladungstransfer zwischen Quantenpunkten stark. Dadurch wird der Einsatz von Nanokristallen in Solarzellen und anderen Komponenten stark reduziert. Wissenschaftler haben verschiedene Methoden ausprobiert, um die Leitfähigkeit elektrischer Ladungen in diesem Material zu erhöhen. Im Jahr 2003 ersetzte Professor Guyot-Sionnest von der University of Chicago stellvertretend die ursprünglichen langkettigen organischen Liganden durch kürzerkettige Aminoverbindungen, verengte den Quantenpunktabstand und injizierte mit elektrochemischen Methoden eine große Anzahl von Elektronen in die Quantenpunkte. Im Inneren wird die Leitfähigkeit auf 0,01S/cm erhöht.
Epitaxiales Wachstum
Das epitaktische Wachstumsverfahren bezieht sich auf das Wachstum neuer Kristalle auf einem Substratmaterial. Wenn die Kristalle klein genug sind, werden Quantenpunkte gebildet. Entsprechend den unterschiedlichen Wachstumsmechanismen kann dieses Verfahren in die chemische Gasphasenabscheidung und die Molekularstrahlepitaxie unterteilt werden.
Die mit diesem Verfahren gezüchteten Quantenpunkte wachsen auf einem anderen Halbleitertyp und lassen sich leicht mit herkömmlichen Halbleiterbauelementen kombinieren. Da keine organischen Liganden vorhanden sind, ist außerdem die Ladungsübertragungseffizienz von epitaktischen Quantenpunkten höher als die von kolloidalen Quantenpunkten, und das Energieniveau ist leichter zu kontrollieren als bei kolloidalen Quantenpunkten. Gleichzeitig hat es auch die Vorteile weniger Oberflächenfehler. Da jedoch sowohl die chemische Gasphasenabscheidung als auch die Molekularstrahlepitaxie ein Hochvakuum oder Ultrahochvakuum erfordern, sind die Kosten für epitaktische Quantenpunkte höher als die von kolloidalen Quantenpunkten.
Methode zur Begrenzung des elektrischen Felds
Das Verfahren zur Begrenzung des elektrischen Felds bezieht sich auf die volle Nutzung des elektrischen Potentials der Metallelektrode, um das Energieniveau im Halbleiter zu verzerren, um eine Beschränkung der Ladungsträger zu bilden. Da die erforderliche Größe von Quantenpunkten im Nanometerbereich liegt, muss die Metallelektrode durch Elektronenstrahlbelichtung hergestellt werden. Die Kosten sind am höchsten und der Ertrag am niedrigsten. Die mit diesem Verfahren erzeugten Quantenpunkte können jedoch ihr Energieniveau, die Anzahl der Ladungsträger und den Spin einfach durch Anpassen der Gatespannung steuern. Aufgrund der extrem hohen Steuerbarkeit eignen sich solche Quantenpunkte auch bestens für Quantencomputing.
1.4 Verwendungen von Quantenpunkten
02
Anwendung der Quantenpunktanzeige
2.1 Geschichte
In den frühen 1970er Jahren wurde durch die Entwicklung der epitaktischen Wachstumstechnologie für Halbleiter die Herstellung von Nanostrukturen möglich. Zunächst wurden dünnschichtige zweidimensionale Nanostrukturen namens Quantum Wells (QW) synthetisiert und umfassend untersucht. Diese nanodünne Schichtstruktur wird durch die Anordnung zweier unterschiedlicher Halbleitermaterialien gebildet. Die Elektronen und Löcher sind in einer dünnen Schicht von wenigen Nanometern Dicke eingeschlossen, was einen offensichtlichen Einschlusseffekt hat. Durch Einstellen des Zusammensetzungsverhältnisses kann die Bandlücke des Quantentopfs verändert werden.
Im Jahr 2011 produzierte Samsung Electronics Quantenpunkt-Leuchtdioden unter Verwendung organischer und anorganischer Schichten als Elektronen- bzw. Lochtransportschichten der Quantenpunkt-Lichtemissionsschicht. Durch das Mustern des Quantenpunktfilms durch das Transferverfahren hat Samsung Electronics einen 4-Zoll-Vollfarb-Aktivmatrix-QLED-Anzeigegerät-Prototyp hergestellt. Samsung-Forscher tragen die Quantenpunktlösung zunächst auf eine Siliziumplatte auf, verdampfen sie und pressen dann den hervorstehenden Teil in eine Quantenpunktschicht. Nach dem Entfernen der Oberflächenschicht wird diese auf ein Glassubstrat oder ein Kunststoffsubstrat übertragen. Dieser Prozess realisiert den Quantenpunkt auf dem Substrat. Überweisen. Die Forscher sagten, dass Glassubstrate oder flexible Kunststoffsubstrate verwendet wurden, um die Herstellung von Display-Prototypen zu erreichen.
Seit 2013 wird die Quantenpunkt-Display-Technologie auf Flüssigkristalldisplays (LCD) angewendet. Ein Quantenpunktfilm wird zwischen dem Hintergrundbeleuchtungsmodul und der Flüssigkristallzelle montiert und auf Fernseher mit hoher Farbskala und Tablet-Computer aufgebracht, um eine größere Farbpalette zu erzielen. Domain und geringerer Stromverbrauch.
Sony hat im Juni 2013 ein High-End-LCD-TV-Modell auf den Markt gebracht, das die Quantenpunkt-Technologie in der Hintergrundbeleuchtung verwendet; Amazon hat im Oktober 2013 auch einen Tablet-Computer auf den Markt gebracht, der Quantenpunkte in der LCD-Hintergrundbeleuchtung verwendet.
2.2 Darstellungseigenschaften von Quantenpunkten
1. Hohe Farbreinheit, schmaler Emissionsspektrumpeak und symmetrische Verteilung;
2. Das Emissionsspektrum ist einstellbar, und die Emissionswellenlänge kann durch Steuern der Größe und des Materials der Quantenpunkte geändert werden, wodurch die Lichtemissionsfarbe gesteuert wird;
3. Gute Farbleistung, die einen Farbraum von mehr als 100 % NTSC abdeckt;
4. Die Lichtausbeute ist hoch, die Quantenausbeute beträgt bis zu 90% und die Lichtstabilität ist gut;
5. Es hat das Potenzial, Pixel auf Nanoebene zu realisieren, mit denen ultrahochauflösende Bildschirme hergestellt werden können.
