无镉量子点制备技术及显示应用研究

郑剑威

（江苏省生产力促进中心，南京210042）

1 引言

量子点[1]是一种三维团簇的半导体纳米材料，具有表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应，从而呈现出激发光谱宽且连续分布，发射光谱窄而对称，颜色随尺寸可调，光学稳定性高，荧光寿命长等特点，获得显示领域的广泛关注和研究，常用的量子点为CdS、CdSe、CdTe 等镉系量子点。2011 年，三星电子研究出世界第一台量子点显示器，在画面质量和色彩上比传统显示器有突破性的提高，且只需一种蓝色背光激发，便可得到所有可见光谱的光，更便宜，更节能，这促使世界各地都在争相开展量子点在显示领域的应用研究。

因Cd 系量子点含有重金属而对垃圾回收及环境治理带来不可忽视的灾害，而被使用在电子电器设备中。2016 年起，含镉量子点正式被欧盟列为高危害有毒物质和可致癌物质，并予以规管，具有量子点发光性能的非镉系量子点制备技术已成为显示产业领域争相追逐的焦点，未来的量子点技术必然会给显示器行业带来根本性的变化，甚至是革命。因此，论文结合已有量子点的工作基础，总结介绍了无镉量子点制备方法，提出了量子点显示技术发展现状和面临挑战，并对量子点显示领域的应用前景进行了研究与展望。

2 量子点的分类

根据元素组成，量子点可分为以下三类：

①Ⅲ-Ⅴ族量子点。典型代表有InAs、GaSb、GaN。其中，GaN 基白光LED 的实现，其在新材料、新工艺上的许多优点，日亚公司在蓝光LED 技术上的突破，使GaN 作为第四代照明光源。

②Ⅱ-Ⅵ族量子点。典型代表有CdSe、ZnSe、CdTe、ZnO。Ⅱ-Ⅵ族的量子点具有十分独特的光学性质，通过调节颗粒的内核半径，其荧光发射峰波长可从紫外到红外连续可调。其中，CdTe 和CdSe 为直接带隙材料，性能稳定，提纯容易，制备方法相对成熟，极大促进了量子点在显示领域的发展。ZnSe 量子点在室温下具有2.67 电子伏特的带隙宽度和21 兆电子伏的激子结合能，而在发光显示方面应用广泛。ZnO 已经实现了室温下光泵激发的受激发射，并制备出白光LED。

③Ⅳ族量子点。典型代表有Si、Ge。其中，硅量子点在1988 年被制备出来后受到了广泛研究，硅量子点性质独特，不但无毒无害、环境友好，而且储量丰富，可以大量生产。我国半导体所骆军委研究员于2017 年发现处于高能硅直接带隙跃迁并没有随硅量子点的变小而显著发生红移，并最终导致硅量子点成为直接带隙发光，该研究将在全球范围内及时制止在该硅基发光方向进行无谓的研究。

3 无镉量子点制备技术

①氮化镓（GaN）量子点。氮化镓主要通过化学合成和有机氮化物分解方法制备，但自1928 年被合成以来，其量子点制备方式被持续改进中，但长期以来，缺乏氮化镓晶格匹配的合适衬底材料，影响了氮化镓量子点的制备，目前，以碳化硅为理想衬底材料，但是价格极其昂贵，限制其走出实验室。

②氧化锌（ZnO）量子点。以醋酸锌为前驱体，氢氧化钾作为碱源，一次性大量得到氧化锌量子点荧光粉末。该方法克服了产量低的缺点，但在酸性条件和金属离子存在的条件下存在严重的荧光猝灭问题。需要以硅烷偶联剂作为链接剂，制备碳-氧化锌交替量子点链，解决由聚集引起的荧光猝灭的问题[2]。

③硫化锌（ZnS）量子点。利用微波的辐射加热原理对反应物进行加热，优点是反应体系中的温度受热均匀，升温快，从反应物内部加热。通过改变微波反应时间和输出功率得到不同发射波长的量子点。

4 无镉量子点在显示领域的应用

4.1 显示材料

量子点可以在红色光和绿色光区域提供较强的单色光，从而突破传统的白光LED，在可见光谱的范围内难以提供足够的绿色光和红色光的限制，进而在一定范围内提供出一个有效的途径。除此之外，量子点能够实现可以折叠和卷曲的柔性显示，并且非常轻薄和耐用，并且具有非线性形状系数，比起其他的刚性现实材料具有更多的优点。

4.2 显示器

量子点是无机材料，所以结合LCD 的背景光源才能够产生跟OLED 相似的高饱和的红、黄、蓝三原色，从而使得所显示的光谱范围更大，从而使得视觉上来讲，红色更红，绿色更亮，进而使得图像的颜色更加的逼真，且具有更高的亮度和更好的节能效果。

4.3 显示基板

显示器的生产工艺、成本、图像质量以及稳定性完全取决于基本材料的物理化学性质，量子点粘土高分子复合材料薄膜具有很好的热稳定性和阻隔氧气和水汽的渗透性，从而可以保持高分子聚合物材料基板拥有透明性、柔性、质量轻、耐用以及价格便宜等优点，从而克服了传统聚合物材料透明度、热稳定、阻隔性、耐溶性等方面的不足，从而使其更好地应用于柔性显示器开发的潜力中。

5 无镉量子点在显示领域面临的挑战

5.1 量子点泄露问题需重视

量子点一般呈固态粉末状应用于显示器基板中，然而合成量子点表面一般都修饰了稳定剂，这些稳定剂长时间暴露在空气中，会降解导致量子点聚集成团，进而影响颜色的纯度。为降低该影响，可对量子点LED 进行封装。但现有封装技术在一定程度上可防止侵蚀量子点LED，但也影响着光传播路径的光效。因此，如何既能保证量子点的固定位置而不发生泄露，又能密封隔绝空气是一个重要的挑战。

5.2 量子点显示材料的热敏性需克服

量子点的一个显著特点就是随着温度的升高，其晶体表面的晶体缺陷加大，出现荧光效率下降，荧光强度降低的现象。在显示器材料中，一些电能在通过电子元件时，是可以产生一些热量的，从而导致显示器内温度随着开机时间的加长而不断地提高，进而使得量子点显示器的颜色随着开机时间久后变得逐步弱化。

5.3 无镉量子点工业化合成难题需突破

量子点的发光是由于吸收激发光以后产生电荷载体的重组，但是如果制备的量子点有大量的缺陷，就会发生电荷载体的无辐射重组，从而影响量子产率[3]。无镉量子点合成方法，还有很多需要研究的技术难题，如荧光效率更高、荧光稳定性更好的量子点的大规模合成。

6 结语

虽然量子点显示技术还有很多的原理和方法问题需解决，但量子点准确输送光线，高效提升显示屏的色域值，让色彩更加纯净鲜艳，使色彩表现更具张力等特点，将未显示领域带来革命性变革。