顯示技術(shù)，五花八門，種類繁多，什么TFT-LCD，OLED，Micro LED，Micro OLED，QLED……傻傻分不清楚。

　　那我們今天就來理一理，這期先說量子點顯示(QLED)。

　　1.什么是量子點？

　　1.1概念

　　量子點(quantum dot)是把激子在三個空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。量子點是一種重要的低維半導(dǎo)體材料，其三個維度上的尺寸都不大于其對應(yīng)的半導(dǎo)體材料的激子玻爾半徑(1-10nm)的兩倍。

　　量子點一般為球形或類球形，其直徑常在2-20 nm之間，而我們頭發(fā)的直徑約有100000nm(100μm)。

　　1.2特性

　　量子點是一種納米級別的半導(dǎo)體，通過對這種納米半導(dǎo)體材料施加一定的電場或光壓，它們便會發(fā)出特定頻率的光，而發(fā)出的光的頻率會隨著這種半導(dǎo)體尺寸的改變而變化，因而通過調(diào)節(jié)這種納米半導(dǎo)體的尺寸就可以控制其發(fā)出光的顏色，由于這種納米半導(dǎo)體擁有限制電子和電子空穴(Electron hole)的特性，這一特性類似于自然界中的原子或分子，因而被稱為量子點。

　　量子點作為半導(dǎo)體納米晶，當(dāng)其粒徑小于激子波爾半徑時，電子的平均自由程被局限在很小的范圍內(nèi)，很容易與空穴形成激子對。電子與空穴的波函數(shù)發(fā)生重疊，因而產(chǎn)生了激子吸收帶。量子點尺寸越小，形成激子的概率越大，激子濃度越高，這種效應(yīng)稱為量子限域效應(yīng)。量子點的量子限域效應(yīng)使得它的光學(xué)性能不同于常規(guī)半導(dǎo)體材料，其能帶結(jié)構(gòu)在靠近導(dǎo)帶底處形成一些激子能級，產(chǎn)生激子吸收帶，而激子的復(fù)合將會產(chǎn)生熒光輻射。量子點的尺寸不同，電子和空穴被量子限域的程度不同，其分立能級結(jié)構(gòu)也有差別。

　　隨著顆粒尺寸的減小，電子和空穴的受限程度增大，導(dǎo)致二者的動能增加即量子限域能增大，量子點的有效帶隙增寬，相應(yīng)的吸收光譜和發(fā)射光譜發(fā)生藍移，并且尺寸越小，藍移程度越大。所以，通過調(diào)節(jié)量子點的尺寸，量子點的發(fā)光光譜可調(diào)。

　　量子點能級的分裂由于量子限域效應(yīng)，半導(dǎo)體帶隙隨著納米晶尺寸的減小而增大。

　　量子點主要性質(zhì):

　　1.3制備

　　1.3.1材料

　　常見的量子點由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素組成。具體的例子有硅量子點、鍺量子點、硫化鎘量子點、硒化鎘量子點、碲化鎘量子點、硒化鋅量子點、硫化鉛量子點、硒化鉛量子點、磷化銦量子點和砷化銦量子點等。

　　目前使用的量子點材料主要有硒化鎘(CdSe)系列和磷化銦(InP)系列，前者主要由QD Vision所采用，后者主要由Nanoco采用，而Nanosys采用磷化銦和鎘混合量子點方案。兩種量子點各有優(yōu)劣，硒化鎘勝在發(fā)光效率高、色域表現(xiàn)力更為寬廣;磷化銦則由于不含鎘，不受歐盟ROHS標(biāo)準(zhǔn)的限制。

　　1.3.2制備方法

　　量子點的制造方法可以大致分為三類：化學(xué)溶液生長法，外延生長法，電場約束法。這三類制造方法也分別對應(yīng)了三種不同種類的量子點。

　　化學(xué)溶液生長法

　　1993年，麻省理工學(xué)院Bawendi教授領(lǐng)導(dǎo)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。他們將三種氧族元素(硫、硒、碲)溶解在三正辛基氧膦中，而后在200到300攝氏度的有機溶液中與二甲基鎘反應(yīng)，生成相應(yīng)的量子點材料(硫化鎘，硒化鎘，碲化鎘)。之后人們在此種方法的基礎(chǔ)上發(fā)明出了許多合成膠狀量子點的方法。大部分半導(dǎo)體材料都可以用化學(xué)溶液生長的方法合成出相應(yīng)的量子點。

　　膠狀量子點具有制作成本低，產(chǎn)率大，發(fā)光效率高(尤其是在可見光和紫外光波段)等優(yōu)點。但缺點是電導(dǎo)率極低。由于在生產(chǎn)過程中在量子點表面產(chǎn)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(wěn)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。這點大大降低了納米微晶在太陽電池和其它的元件上的應(yīng)用?？茖W(xué)家們曾嘗試用各種方法提高電荷在這種材料中的傳導(dǎo)率。有代表性的是2003年芝加哥大學(xué)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，并用電化學(xué)的方法將電子大量注入量子點內(nèi)，將電導(dǎo)率提高到了0.01S/cm。

　　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(jié)晶，如果結(jié)晶足夠小，就會形成量子點。根據(jù)生長機理的不同，該方法又可以細分成化學(xué)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(dǎo)體上，很容易與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件結(jié)合。另外由于沒有有機配體，外延量子點的電荷傳輸效率比膠體量子點高，并且能級也比膠體量子點更容易調(diào)控。同時，也具有表面的缺陷少等優(yōu)點。然而，由于化學(xué)氣相沉積和分子束外延都需要高真空或超高真空，因此相比于膠體量子點，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(diào)控金屬電極的電勢使半導(dǎo)體內(nèi)的能級發(fā)生扭曲，形成對載流子的約束。由于量子點所需尺寸在納米級別，因此金屬電極需要用電子束曝光的方法制作。成本最高，產(chǎn)率也最低。但用這種方法制作出的量子點，可以簡單通過調(diào)控門電壓控制其能級，載流子的數(shù)量和自旋等。由于極高的可控性，這種量子點也最適合于用作量子計算。

　　1.4量子點的用途

　　2.量子點顯示的應(yīng)用

　　2.1歷史

　　20世紀(jì)70年代早期，由于半導(dǎo)體外延生長技術(shù)的發(fā)展，使得納米結(jié)構(gòu)的制備成為可能。首先，被稱為量子阱(Quantum Wells,QW)的薄層二維納米結(jié)構(gòu)被合成出來，并被廣泛研究。這種納米薄層結(jié)構(gòu)由兩種不同的半導(dǎo)體材料相間排列形成，電子和空穴被限制在幾納米厚度的薄層中，具有明顯的限域效應(yīng)。通過調(diào)整組成成分比例，量子阱的禁帶寬度(Band Gap)可以發(fā)生改變。

　　2011年，三星電子以有機層和無機層，分別作為量子點發(fā)光層的電子和空穴傳輸層，制備得到了量子點發(fā)光二極管。通過轉(zhuǎn)印法對量子點薄膜圖形化，三星電子公司制作了4英寸全彩有源矩陣QLED顯示器件原型產(chǎn)品。三星研究人員首先將量子點溶液涂在硅板上，然后蒸發(fā)，再將突起部分進行壓制成量子點層，去掉表層后轉(zhuǎn)壓到玻璃基板或塑料基板上，該過程就實現(xiàn)了量子點到基板的轉(zhuǎn)移。其研究人員表示已經(jīng)使用玻璃基板或可彎曲塑料基板實現(xiàn)了顯示屏原型機的生產(chǎn)。

　　從2013年開始，量子點顯示技術(shù)應(yīng)用于液晶顯示器(LCD)面板，在其背光模塊與液晶盒之間裝配量子點薄膜，并應(yīng)用于高色域電視、平板電腦上，獲得了更廣的色域和更低的功耗。

　　索尼在2013年6月推出了在背光源中采用量子點技術(shù)的液晶電視高端機型;亞馬遜也于2013年10月推出了液晶屏背光源采用量子點的平板電腦。

　　美國專利和商標(biāo)局2014年初通過了一項蘋果在2012年申請的被稱為“擁有分色濾光器的量子點增強顯示器”專利，專利中詳細介紹了量子點技術(shù)，以及這種技術(shù)如何應(yīng)用在像iPhone這樣的移動設(shè)備上。

　　2017年3月，京東方研制出的5英寸主動式電致量子點發(fā)光顯示產(chǎn)品(AMQLED)，是其主持承擔(dān)的科技部國家重點研發(fā)計劃“量子點發(fā)光顯示關(guān)鍵材料與器件研究”項目的成果。該產(chǎn)品直接采用噴墨打印工藝制備電致量子點發(fā)光器件(QLED)實現(xiàn)全彩顯示，色域超過100%。

　　2.2量子點顯示的特性

　　1、色純度高，發(fā)光譜峰較窄且分布對稱;

　　2、發(fā)射光譜可調(diào)，通過控制量子點尺寸和材料可改變其發(fā)射波長，進而控制發(fā)光顏色;

　　3、色彩表現(xiàn)力好，覆蓋的色域大于100%NTSC;

　　4、發(fā)光效率高，量子效率高達90%，光穩(wěn)定性好;

　　5、具有實現(xiàn)納米級像素的潛力，可用于制造超高分辨率屏幕。

　　2.3量子點顯示的應(yīng)用

　　量子點在顯示技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括兩個方面：

　　基于量子點電致發(fā)光特性的量子點發(fā)光二極管顯示技術(shù)(Quantum Dots Light Emitting Diode Displays,QLED);基于量子點光致發(fā)光特性的量子點背光源技術(shù)(Quantum Dots-Backlight Unit,QD-BLU)。

　　而目前市場上出售的所謂的“量子點電視”，均是搭載了量子點膜的液晶電視，其本質(zhì)仍為液晶電視。

　　2.3.1量子點背光源技術(shù)（QD LCD）

　　量子點背光源技術(shù)主要分為管式量子點背光源和薄膜式量子點背光源，前者主要由美國的QD Vision生產(chǎn)，稱為Color IQ光學(xué)元件;后者主要由美國的Nanosys公司生產(chǎn)，稱為QDEF薄膜。納晶科技的量子點可以同時生產(chǎn)兩種量子點背光源元件。

　　由于三色光由藍光直接轉(zhuǎn)換而來，量子點背光源相比普通LED背光具有更高純度的三基色，通過調(diào)整量子點材料大小分布，可以是創(chuàng)造出更真實、更均衡的色彩表現(xiàn)。

　　2.3.2量子點發(fā)光二極管顯示技術(shù)（QLED）

　　QLED全稱是“Quantum Dot light Emitting Diode”，即量子點發(fā)光二極管，又名量子屏顯示技術(shù)，其原理是將量子點層置于電子傳輸和空穴傳輸有機材料層之間，外加電場使電子和空穴移動到量子點層中，電子和空穴在這里被捕獲到量子點層并且重組，從而發(fā)射光子。通過將紅色量子點、綠色量子點和藍光熒光體封裝在一個二極管內(nèi)，實現(xiàn)直接發(fā)射出白光。

　　QLED元件是層疊結(jié)構(gòu)，包括玻璃基板、空穴注入層、空穴傳輸層、量子點發(fā)光層、空穴阻擋層、電子傳輸層等。其結(jié)構(gòu)與OLED相似，主要不同在于QLED的發(fā)光材料為無機量子點材料，而OLED采用有機材料。QLED具有主動發(fā)光、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、光譜可調(diào)、色域?qū)拸V等特點，而且比OLED性能更加穩(wěn)定，壽命更長。

　　2.4量子點顯示產(chǎn)業(yè)鏈

　　量子點顯示產(chǎn)業(yè)鏈從上游到下游依次為上游量子點材料和阻隔膜、中游量子點膜和下游量子點電視：

　　• 量子點材料和阻隔膜供應(yīng)商：負(fù)責(zé)量子點材料和阻隔膜的設(shè)計和生產(chǎn)，代表性公司Nanosys和3M;

　　• 量子點膜公司：完成量子點光學(xué)膜的涂布和復(fù)合工藝，代表性公司3M、激智科技;

　　• 終端電視廠(代工廠)：負(fù)責(zé)量子點電視的設(shè)計、生產(chǎn)和銷售。

　　2.5生產(chǎn)工藝

　　QLED器件制造方法是通過生產(chǎn)納米級量子點薄層的工藝，將不同顏色量子點混合或分層堆疊在一起，使其發(fā)射的不同光線混合成白光。

　　早期QLED通過有機/無機混合結(jié)構(gòu)將藍光量子點、綠光量子點和紅光量子點混合在單個薄層里。通過調(diào)節(jié)白光光譜，在其CRI值為86時，外量子效率(EQE)達到最大值0.36%。

　　將量子點按照設(shè)計的排列方式進行涂覆是制作量子點顯示設(shè)備的必要工藝，現(xiàn)在比較成熟的QLED器件制備技術(shù)有相分離技術(shù)、噴墨打印技術(shù)、轉(zhuǎn)印技術(shù)。

　　1、相分離技術(shù)

　　相分離法的原理是將量子點和溶劑混合，使用旋涂技術(shù)在薄膜上形成單層量子點，再利用不同材料熔點不同的性質(zhì)，通過加熱使得溶劑分離，從而制成QLED器件。相分離法的優(yōu)點是適合制備大面積有序膠體單層量子點，而且通過控制溶液濃度、量子點尺寸和形狀等可以制成高效率、高色彩飽和度的QLED。缺點是由于使用旋涂技術(shù)，只能制備單色顯示屏。

　　2、噴墨打印技術(shù)

　　噴墨打印技術(shù)是用納米級的噴頭將把量子點溶劑打印到基底材料表面。因為量子點材料具有尺寸細小、可溶性好等特性，適合采用印刷工藝，噴墨打印技術(shù)具有工藝簡單、成本低、方便制備發(fā)光圖案、可制作柔性器件、適合大尺寸器件制備等優(yōu)勢。目前國內(nèi)外對相關(guān)技術(shù)具有掌握，如QD Vision利用噴墨打印技術(shù)實現(xiàn)批量生產(chǎn)大面積QLED顯示屏，國內(nèi)中科院蘇州納米所也已成功實現(xiàn)噴墨打印制備電致發(fā)光量子點器件，成品粗糙度低于2.2nm，達到了旋涂工藝的精度，在低于9V的電壓驅(qū)動下，發(fā)光亮度超過4000cd/m2 。

　　3、轉(zhuǎn)印技術(shù)

　　轉(zhuǎn)印技術(shù)是利用有圖案的硅片制成類似“墨水印章”，然后用“印章”通過分子間作用力(范德華力)“吸取”合適的量子點，無需溶劑即可將其印壓在薄膜基片上，基片上平均每平方厘米約含3萬億個量子點。轉(zhuǎn)印技術(shù)解決了噴墨打印技術(shù)可能出現(xiàn)有機溶劑污染顯示器的問題，制造的顯示器密度和量子一致性更高，顯示器畫面更明亮、更節(jié)能，并且適用于可卷曲便攜式顯示器、柔性發(fā)光設(shè)備、光電設(shè)備等領(lǐng)域。

　　凹版轉(zhuǎn)印工藝適用于生產(chǎn)高分辨率屏幕，這種轉(zhuǎn)移印刷工藝?yán)冒嫉駵喜蹃懋a(chǎn)生像素尺寸受控且均勻的全色量子點陣列，其可實現(xiàn)每英寸2460像素(ppi)的分辨率。用該工藝制造的顯示器件發(fā)光峰度為14000 cd / m2 ，外量子效率(EQE)為2.3%。