סטטוס מחקר של חומרי הנקודה הקוונטית ויישומיהם בתחום הפוטו -לומינצנטיות והאלקטרו -אור.

בעקבות גילוי תופעות פיסיקליות חדשות רבות של ננו-גבישים מוליכים למחצה [1-5], התגלו יישומים פוטנציאליים רבים המשתמשים בנקודות קוונטיות (QD). בשל אפקט הכליאה הקוונטית ואפקט גודל הקוונטים, לנקודות קוונטיות של מוליכים למחצה יש את המאפיינים של ספקטרום עירור רחב, חצי רוחב צר, אורך גל מתכוונן ועיבוד פתרונות וכו ', שזכו לתשומת לב רבה [6-9]. לאחר יותר מ -30 שנות פיתוח, חומרי הנקודה הקוונטית השיגו מסלול &, מסלול סינתזה ירוקה &, וביצועיהם השתפרו בהדרגה, מה שאפשר ייצור ואספקה ​​של מוצרים מתועשים. נכון לעכשיו, פותחו מכשירים פוטו -לומיננסיים ליישומים מסחריים, וסדרת מכשירים זו שימשה בתאורת LED. ושדה תצוגה [10-12]. במיוחד בתחום התצוגה, לנקודות קוונטיות כגון cdse יש רוחבי קו צרים במיוחד, רוויית צבעים גבוהה ויכולות שחזור צבעים חזקות לאובייקטים, שיכולים להגיע ליותר מ -120% ממגוון הצבעים ntsc [13,14], ולגרום לרוב הטלוויזיות. בעולם מבוקש על ידי יצרנים וספקי מסכי טלפונים ניידים. מאז ש- SONY הוציאה את הטלוויזיה הקוונטית הראשונה בשנת 2013, חברות כמו TCL, סמסונג, LG וטכנולוגיית ננו -ג'ינג פרסמו מספר מוצרים נקודתיים, המכסים תחומים רבים כגון טלוויזיות, טלפונים ניידים וצגי מחשב [15,16]. בתערוכת CES 2018 בארצות הברית, TCL, Hisense וחברות אחרות דחפו לטכנולוגיית תצוגת נקודות קוונטיות, שבוודאי תקדם את המשך הפיתוח והצמיחה של תצוגת נקודות קוונטיות. ההערכה היא כי בשנת 2025, תצוגות נקודות קוונטיות יכולות לתפוס יותר מ -30% מהשוק [17].

סקירה זו מתמקדת ביישום נקודות קוונטיות ליישומי פוטו-אור-אור ואלקטרו-אור של טכנולוגיות תאורה ותצוגה באיכות גבוהה. פיתוח הנקודות הקוונטיות נכנס לשלב היישום המסחרי מהתאורה הראשונית ועד תאורה אחורית של תצוגת סולם צבעים בגודל פוטו -אור -אור של היום &. בשלב הבא ניתן לדמיין שההפחתה ההדרגתית בעלות הנקודות הקוונטיות, הסינתזה בקנה מידה גדול והמאמצים של יצרנים כמו QD Vision, סמסונג ו- LG באלקטרומואנצנטיות קוונטית, יקדמו עוד יותר את חשמל בשטח גדול של נקודות קוונטיות. מסחור של מכשירים אלקטרו -מנורות.

2. נקודות קוונטיות קולואידיות

נקודות קוונטיות קולואידיות מתייחסות בדרך כלל לקריסטלים בגודל ננו המסונתזים ומעובדים בתמיסה [18], הניתנים לפיזור אחיד בתמיסה. פני השטח של הנקודות הקוונטיות מכוסות בשכבת ליגנדים אורגניים, והליגנדים מחוברים באמצעות קשרי תיאום. אל פני הנקודה הקוונטית. הנקודות הקוונטיות הנפוצות ביותר הן חלקיקי מוליכים למחצה המורכבים מקבוצת II-VII (cdse, cds, Znse, cds, Pbs, Pbse), קבוצת III-VI (InP, InAs) או קבוצת I-III-VII (cuIns2, AgIns2). על ידי שילוב של אלמנטים וליגנדים שונים בסינתזה, ניתן להשיג נקודות קוונטיות עם מורפולוגיות ותכונות שונות [19,20].

בשל אפקט גודל הקוונטים ואפקט הכליאה הקוונטית, על ידי התאמת גודל הנקודות הקוונטיות המוכנות, הספקטרום יכול לכסות את כל אורכי הגל מכחול לכמעט אינפרא אדום [21-23]. לדוגמה, נקודות קוונטיות של קדמיום סלניד, כאשר גודל החלקיקים הסינתטיים עולה מ -2 ננומטר ל -8 ננומטר, תחת אור אולטרה סגול, צבעו יכול לעבור מכחול לאדום [24]. נכון לעכשיו, נקודות קוונטיות המבוססות על קדמיום הוכיחו שהן בעלות ביצועים מצוינים [25], ונקודות קוונטיות המורכבות מקדמיום, אבץ, סלניום, גופרית ואלמנטים אחרים נכנסו לשלב היישום. יחד עם זאת, נקודות קוונטיות נטולות קדמיום כמו InP [26] נמצאות גם הן בתהליכי מחקר; נקודות קוונטיות perovskite הן גם כיום מערכת מחקר פופולרית, אך היציבות של נקודות קוונטיות perovskite עדיין מהווה בעיה. סקירה זו מתמקדת בנקודות קוונטיות של מוליכים למחצה קולואידים.

2.1. פיתוח סינתזה של נקודות קוונטיות

הסינתזה של נקודות קוונטיות מילאה תפקיד מכריע בפיתוח נקודות קוונטיות. ניתן להשיג רק נקודות קוונטיות יציבות ואמינות להנחת היסודות למחקר ויישומים תעשייתיים. על פי מערכת הסינתזה של הנקודות הקוונטיות, היא מחולקת למערכת שלב מים ולשלב שמן, אך היציבות של הנקודות הקוונטיות המסונתזות בשלב המים היא ירודה, התשואה הקוונטית נמוכה, התפלגות הגדלים רחבה והיא קל לאגרומטר ולזרז, וחוסל בהדרגה [27]. במערכת שלב השמן, בדרך כלל כולל ממס נקודת רתיחה גבוהה אורגנית בטמפרטורה של 120-360 ° C, המבשר מגיב ליצירת הגרעינים של נקודות קוונטיות ועוצר את הצמיחה על ידי קירור לאחר מכן [25,28,29]. בשנת 2001, פנג [29] ואחרים הכינו בהצלחה נקודות קוונטיות CDS, CDs ו- CDTE באמצעות תחמוצת קדמיום, בעלת רעילות ותגובתיות נמוכה. לאחר מכן, בשנת 2002, הוצעה מערכת ממסים לא מתואמת [30], שהיא כיום המערכת הנפוצה ביותר. מערכת האוקטאדקן הרחבה, הפתרון הנמס הזה והרתיחה הגבוהה, הכינה בהצלחה נקודות קוונטיות באווירת Ar. אין צורך להגיב למערכת סינתזה זו בסביבה נטולת מים, והתגובה מתונה, קל לשלוט באיכות הגרעין הגבישי, יכולת השחזור של הניסוי טובה, תהליך ההכנה פשוט, והיא ידועה בשם [ GG] quot; מסלול סינתזה ירוקה" ;. כעת הוא אקדמי ותעשייתי. כולם מסונתזים בשיטה זו.

בעשר השנים האחרונות שופרה גם שיטת המיקרו-תגובה. ניתן להשתמש בשיטה זו לייצור ננו -קריסטלים בקנה מידה גדול ובעלת שליטה טובה על התכונות הפיסיקליות והכימיות. בשל העלייה ביכולת השליטה של ​​הכור, שילוב חיישנים הניתנים לניתוח בזמן אמת בכל שלב בתהליך ואופטימיזציה של האלגוריתם להגדלת התפוקה אפשרו שיפור זה [31,32]. קולואידים ננו -קריסטליים סונתזו בהצלחה במיקרורקטורים, כגון cdte, cdse, InP [33,34], ואפילו cdse/Zns ו- Znse/Zns נקודות קוונטיות [35]. למרות ששיטת המיקרורקטור יכולה להחליף את סינתזת האצווה, יש צורך בשיפורים נוספים לסינתזת ננו -קריסטלים בעלי קומפוזיציות מורכבות יותר, צורות ותכונות קרינה פלואורסצנטית הניתנות לשליטה.

איור 1 היסטוריית הפיתוח של נקודות קוונטיות

2.2. עיצוב מבנה נקודות קוונטיות ואופטימיזציה

הנקודות הקוונטיות קטנות ובעלות שטח פנים ספציפי גדול. בהתאם לגודלם, ~ 10% -80% מכלל האטומים שלהם ממוקמים על פני השטח ומשאירים רק אתרי הפצה חלקית. קשרים אלה המשתלשלים על פני השטח פועלים כמלכודות מטען יעילות, שיכולות להפחית מאוד את התשואה הקוונטית, ויכולות להגיב בקלות עם חמצן ולהיות בלתי יציבות [36]. האסטרטגיה הראשונה להרוות קשרים משתלשלים אלה היא באמצעות פסיבציה אורגנית. בתהליך זה, ליגנדים אורגניים מתאימים יכולים לשמש כתיאום אטומי פני השטח ויכולים גם לשפר את מסיסות הנקודות הקוונטיות בממס נתון. ליגנדים אופייניים כוללים trioctyl phosphine (toP), תחמוצת trioctyl phosphine (toPo), חומצה אולאית (oA) ואמינים שומניים שונים (כגון oleylamine, octylamine, וכו ') [37,38]. על ידי שימוש בליגנדות משטח אלה, ניתן להגדיל באופן חלקי את התשואה הקוונטית הנמוכה של נקודות קוונטיות בלתי מנותקות (בדרך כלל< 1%)="" לבין="" 1%ל="" -50%.="">

פתרון כללי יותר להתגבר על חוסר היציבות של הליבה הוא גידול אפיטקסאלי של שכבת מעטפת אנאורגנית סביב הליבה. תלוי כיצד קצוות פס ההולכה (cB) ורצועת הערכיות (VB) של החומר בתפזורת מיושרים ביחס לקליפת הליבה, הבחירה הספציפית של חומרי הליבה והקליפה יכולה לקבוע מבנים אלקטרוניים שונים ובכך לקבל קרינה פלואורסצנטית שונה מאפיינים. באמצעות הכנת הטרו -מבנים שונים של ליבה/מעטפת אנאורגנית, ניתן לשלוט במדויק על ההתפלגות המרחבית של אלקטרונים וחורים בנקודות קוונטיות בכדי לספק את האפנון הנדרש של תכונות אופטיות, אלקטרוניות וכימיות להתאמה למגוון רחב של פוטנציאלים. Bawendi [38] ו- Alivisatos [40] דיווחו על מחקרים מפורטים על הצמיחה של cdse/Zns ו- cdse/cds, שהדגישו את ההשפעה של הרכב הקליפה והעובי על הדה -לוקליזציה של המוביל, והציעו זן חשוב של ליבה/פגז ממשק ממשק. בין כל השיטות הסינתטיות המשמשות לגידול נקודות קוונטיות של ליבה/מעטפת, תכנית ספיחת ותגובה שכבת יונים רציפה (sILAR) שפותחה על ידי Li [41] ואחרים. תמיד היה השכיח ביותר. עם זאת, מאחר והליך ה- SILAR הוא בדרך כלל זמן רב ומסובך, נקודות קוונטיות שהוכנו על ידי" שיטת סיר אחד" בעלי תשואות קוונטיות גבוהות. הסינתזה בסיוע המיקרוגל של cdse/cds/cdZns ליבה/נקודות קוונטיות מרובות [42] בעלת זוהר גבוה ויציבות מצוינת. שיטה זו מציגה כמה יתרונות בסינתזה המבוססת על הזרקה, כגון סלקטיביות ההפעלה של מבשרי, שחזור אצווה לאצווה גבוה וייצור ננו-קריסטל כמעט רציף. עוד" שיטת סיר אחד" משמש להכנת שכבת המעטפת CDS/ZNS עם צמיחת שיפוע מחוץ לליבת CDSE. בשל ממשק הגביש המבוקר בין שתי שכבות המעטפת בטמפרטורה גבוהה של 310 ° C, יש לה כ -90% מהתשואה הקוונטית [43].

עם זאת, לרוב חומרי הליבה והקליפה בעלי פרמטרים שונים של סריג; לכן פגמים מבניים המועדים להופיע בממשק הליבה-קליפה מספקים ערוץ הנחתה שאינו מקרין, ומבנה זה גם יפחית את התשואה הקוונטית של נקודות קוונטיות. לכן, בנוסף להתייחסות למבנה האלקטרוני של החומר עצמו, יש להתאים את הקליפה כראוי לאי התאמה מינימאלית של הסריג בין הליבה לקליפה כדי להימנע מפגמים מבניים [44]. על מנת לפתור בעיה זו, שיטה אפשרית היא להשתמש בשכבת סגסוגת או מעטפת שיפוע כשכבת חיץ. במבנה זה, שכבת סגסוגת מדורגת שמשתנה בהדרגה מחומר אחד למשנהו משמשת להפגת מתחים הנגרמים כתוצאה מחוסר התאמה של סריג. בשנת 2005, סינתזה לראשונה [45] נקודות בהירות גבוהות של CDSE / CDS / Zn0.5cd0.5s / ZNS נקודות קוונטיות בעלות מעטפת [45], ומושג זה הוצע. על ידי שינוי הדרגתי של שכבת הסגסוגת בין ה- ZNS בעלת אי התאמה גדולה יותר של הסריג עם ה- CDS, מתקבלת תשואה קוונטית גבוהה יותר. מושג זה ישים באופן נרחב בחומרים נקודתיים קוונטיים שונים. בנוסף, סגסוגת שיפוע זו יכולה לעכב ביעילות רקומבינציה של אוגר שאינה מקרינה. בנוסף להנדסת פגזים שונים עם פרמטרים שונים של סריג לאלקטרו-אור, שכבת סגסוגת השיפוע יכולה גם להפחית רקומבינציה של אוגר שאינה מקרינה. כדי לשפר את קצב הריקבון, ובכך לשפר את היעילות הקוונטית החיצונית של אלקטרו -אור (46).

3. יישומי פוטו -אור -אור של נקודות קוונטיות

עם אופטימיזציה מתמשכת של שיטות סינתזה, עיצוב מבני והשיפור ההדרגתי בביצועי הנקודה הקוונטית, גם המחקר והמסחור של מכשירי נקודה קוונטית פוטולומינצנטית מתבצעים כל הזמן [47-50]. שני היישומים של פוטו-אור-אור הוא בעיקר יישום התאורה של מדד טיוח צבעים גבוה באמצעות כיסוי ספקטרום מלא של האור הנראה של הנקודות הקוונטיות ויישום התאורה האחורית של התצוגה באמצעות רוחב הפס הפליט הצר.

איור 2 היתרונות של נקודות קוונטיות בתצוגה (א) ותאורה (ב)

3.1. מדדי טיוח צבעים גבוהים למכשירי תאורה במצב מוצק

מכשירי תאורה מסורתיים של מצב לבן מוצקים מורכבים לעתים קרובות מדיודות פולטות אור GAN ו- YAG: CE זרחנים אדומים נדירים צהובים [51], אך נורית LED לבנה זו מראה לעתים קרובות התפלגות טמפרטורות צבע גבוהות (CCT> 5000K) ו אינדקס טיוח צבע נמוך (CRI).< 70)="" fwhm="&" quot;&ציטוט;=""> 60nm) ואי אפשר להימנע מהפסד זה. לעומת זאת, ההתאמה של נקודות קוונטיות בספקטרום האור הנראה מאפשרת שילובי צבעים יותר ניתנים לשליטה, וחצי הרוחב של הספקטרום הוא צר יחסית (FWHM=~ 30nm), מה שיכול לייצר אור לבן באיכות גבוהה יותר בהתאמה אישית מדויקת. ספקטרום (cRI> 90) [55]. בשנת 2008, Nizamoglu et al. [56] חקר את המנגנון שבאמצעותו נקודות קוונטיות CDSE/ZNS יכולות לפלוט אור אדום וירוק, ובפעם הראשונה עטפו את הנקודות הקוונטיות בשבב LED כחול כדי להשיג אור לבן. מבנה היברידי זה של נקודות קוונטיות הוא אחת השיטות המוקדמות לשימוש בנורות LED כחולות ליצירת אור לבן באיכות גבוהה. היישום המסחרי המוקדם ביותר של נקודות קוונטיות היה בתאורת מצב מוצק; בשנת 2010, QD Vision בארצות הברית וטכנולוגיית Nanojing הסינית הציגה מכשירי קירור-להתחממות נקודה קוונטית והחילו אותם על מוצרי תאורה LED.

אחת הדרכים להשתמש בנקודות קוונטיות להכנת מכשירי תאורה במצב מוצק עם מדד טיוח צבעים גבוה היא להשתמש בזרחנים ונקודות קוונטיות למזג, ולהשתמש בספקטרום האור האדום המעולה של נקודות קוונטיות כדי לפצות על ספקטרום הזרחנים, כדי להשיג מדד טיוח צבעים גבוה פליטת אור לבן. chung [57] cdse אור מעורב אדום/ליבה Znse/פגז נקודות קוונטיות לתוך YAG: ce זרחן וארוז אותו ב- LED, מה שיכול להגדיל את אינדקס טיוח הצבעים ל -92; siffalovic [58] וכו 'השתמשו בנקודות קוונטיות cdse/Znse מעורבבות עם זרחנים ועשויים סרט דק, מדד טיוח הצבעים של מכשיר האור הלבן הארוז הגיע ל -92; שי [59] ואח '. ייעל את מבנה הנקודות והזרחים הקוונטיים והכניס את שכבת הזרחן על הסרט הנקודות הקוונטי כדי לשפר את יעילות הלומן עד 110lm/W ומדד טיוח הצבעים הגיע ל -90.

שיטה נוספת היא לנצל את הספקטרום הניתן להתאמה של נקודות קוונטיות ולהשתמש בנקודות קוונטיות עם פסגות פליטה שונות לאריזה. לי [60] ואח '. נקודות קוונטיות מסוג InP פולטות אור אדום וירוק מרחוק, שקואורדינטות צבע האור הלבן שלהן יכולות להגיע (0.27, 0.23); שוקה [61] ואח '. השתמשו בפערי אוויר כדי לצמצם נקודות קוונטיות על שבבי LED שטפטפו שרף סיליקון. מדד טיוח הצבעים הגיע ל -81; לין [62] ואח '. ערבבו נקודות קוונטיות בצבעים שונים של cdse/Zns על מצע גמיש והשתמשו במקור אור אולטרה סגול כאור עירור, ומדד טיוח הצבעים הגבוה ביותר הגיע ל -96.

בנוסף, הכנסת יונים מסוממים פעילים מבחינה אופטית לנקודות הקוונטיות יכולה להכניס פסגות פליטת טומאה בספקטרום הפליטה של ​​הנקודות הקוונטיות, אותן ניתן לשלב עם אור נפלט אחר ליצירת אור לבן. זהו העיקרון של שימוש ביונים מסוממות לפליטת אור לצורך הכנת נוריות אור לבן. . בהשוואה לנקודות קוונטיות שאינן מסוממות, שיא הטומאה משתנה באדום ביחס לשיא הפליטה בקצה הלהקה של המארח, מה שמגדיל את משמרת סטוקס, ובכך מפחית את ההשפעה של קליטה עצמית בנקודות קוונטיות; במקביל, בהשוואה לחומרים מאירים מסוממים מכיוון שלחומרים שאינם מסוממים יש יציבות פוטוכימית וטרמית גבוהה יותר [63]. על פי דיווחים בספרות, נוריות לבנות שהוכנו על ידי פליטת יונים מסוממים ניתנות לחלוקה גסה לשלוש קטגוריות: סימום Mn2+, סימום cu2+ ו- Mn2+ ו- cu2+ co-doping. שו [64] ואח '. נקודות קוונטיות מסונזות/Zns המסומנות ביוני Mn2+ על ידי" פלאש" שיטה, ונורות LED לבנות ארוזות עם זרחנים YAG: ce, ומדד טיוח הצבעים שלה הגיע ל -80; וואנג [65] ואח '. נקודות קוונטיות/Zns מסונתזות המסומנות ביוני cu2+, אשר שיפרו את הקרינה ברצועה האדומה, עם מדד טיוח צבע של {{16}}; וואנג [66] ואח '. מסומם Mn2+ בליבת Znse ו- cu2+ במעטפת Zns. , מה שהופך אותו לפליטת שיא כפול, מכשיר האור הלבן הארוז מגיע ל -95, ויעילות הלומן היא 73.2lm/W, שיש לו סיכוי גבוה יותר.