量子ドットディスプレイ（QLED）とは何ですか？
Dec 09, 2021
量子ドットとは何ですか？
1.1コンセプト
量子ドットは、励起子を3つの空間方向に結合する半導体ナノ構造です。 量子ドットは重要な低次元半導体材料であり、それらの3次元は、対応する半導体材料の励起子ボーア半径（1〜10 nm）の2倍以下です。
量子ドットは一般に球形または準球形であり、その直径は多くの場合2〜20 nmですが、髪の毛の直径は約100,000 nm（100μm）です。
1.2機能
量子ドットはナノレベルの半導体です。 このナノ半導体材料に一定の電界または光圧を加えることにより、特定の周波数の光を放出し、放出される光の周波数はこの半導体のサイズに応じて変化します。 したがって、このナノ半導体のサイズを調整することにより、放出される光の色を制御することができます。 このナノ半導体は、電子と電子正孔（電子正孔）を制限する特性を持っているため、この特性は、自然界の原子や分子に似ています。 、このように量子ドットと呼ばれます。
量子ドットは半導体ナノ結晶です。 それらの粒子サイズが励起子のボーア半径よりも小さい場合、電子の平均自由行程は狭い範囲に制限され、正孔との励起子ペアを形成しやすくなります。 電子と正孔の波動関数が重なり、励起子吸収帯が生じます。 量子ドットのサイズが小さいほど、励起子を形成する確率が高くなり、励起子の濃度が高くなります。 この効果は量子閉じ込め効果と呼ばれます。 量子ドットの量子閉じ込め効果により、その光学性能は従来の半導体材料とは異なります。 そのエネルギーバンド構造は、伝導帯の底部近くでいくつかの励起子エネルギー準位を形成し、励起子吸収帯をもたらし、励起子の再結合は蛍光放射を生成します。 量子ドットのサイズが異なり、電子と正孔が量子閉じ込めされる程度が異なり、それらの離散的なエネルギー準位構造も異なります。
粒子サイズが小さくなると、電子と正孔の閉じ込め度が高くなり、2つの運動エネルギーが増加します。つまり、量子閉じ込めエネルギーが増加し、量子ドットの有効バンドギャップが広がります。対応する吸収および発光スペクトルはブルーシフトが発生し、サイズが小さいほどブルーシフトが大きくなります。 したがって、量子ドットのサイズを調整することにより、量子ドットの発光スペクトルを調整することができます。
量子ドットのエネルギー準位は、量子閉じ込め効果により分割され、ナノ結晶のサイズが小さくなると、半導体のバンドギャップが大きくなります。
量子ドットの主な特性
1.3準備
1.3.1材料
一般的な量子ドットは、IV、II-VI、IV-VI、またはIII-V要素で構成されています。 具体的な例としては、シリコン量子ドット、ゲルマニウム量子ドット、硫化カドミウム量子ドット、セレン化カドミウム量子ドット、テルル化カドミウム量子ドット、セレン化亜鉛量子ドット、硫化鉛量子ドット、セレン化鉛量子ドット、リン化インジウム量子ドット、亜ヒ酸インジウム量子ドットなど
現在使用されている量子ドット材料には、主にセレン化カドミウム（CdSe）シリーズとリン化インジウム（InP）シリーズがあります。 前者は主にQDVisionで使用され、後者は主にNanocoで使用され、Nanosysはリン化インジウムとカドミウムのハイブリッド量子ドットを使用します。 予定。 2種類の量子ドットにはそれぞれ長所と短所があります。 セレン化カドミウムは、高い発光効率と広い色域よりも優れています。 リン化インジウムはカドミウムを含まず、EUROHS基準によって制限されていません。
1.3.2準備方法
量子ドットの製造方法は、化学溶液成長法、エピタキシャル成長法、電界閉じ込め法の3つに大別できます。 これらの3種類の製造方法は、3種類の量子ドットにも対応しています。
化学溶液の成長
1993年、マサチューセッツ工科大学のBawendi教授が率いる研究チームは、有機溶液中で初めて均一なサイズの量子ドットを合成しました。 3つの酸素元素（硫黄、セレン、テルル）をトリ-n-オクチルホスフィンオキシドに溶解し、200〜300℃の有機溶液中でジメチルカドミウムと反応させて、対応する量子ドット材料（硫化カドミウム）を生成しました。 、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム）。 その後、人々はこの方法に基づいてコロイド量子ドットを合成する多くの方法を発明しました。 ほとんどの半導体材料は、対応する量子ドットを生成するために化学溶液成長法によって合成することができます。
コロイド量子ドットには、製造コストが低く、歩留まりが高く、発光効率が高い（特に可視および紫外線帯域で）という利点があります。 しかし、欠点は、導電率が非常に低いことです。 有機配位子は製造プロセス中に量子ドットの表面に生成されるため、量子ドット間のファンデルワールス引力は、溶液中での安定性を維持するために相殺されます。 しかし、この有機配位子の層は、量子ドット間の電荷の移動を大きく妨げます。 これにより、太陽電池やその他のコンポーネントへのナノ結晶の適用が大幅に削減されます。 科学者たちは、この材料の電荷の伝導率を高めるためにさまざまな方法を試しました。 代表的には、2003年に、シカゴ大学のGuyot-Sionnest教授は、元の長鎖有機リガンドを短鎖アミノ化合物に置き換え、量子ドットの間隔を狭め、電気化学法によって量子ドットに多数の電子を注入しました。 内部では、導電率が0.01S / cmに増加しています。
エピタキシャル成長
エピタキシャル成長法とは、基板材料上に新しい結晶を成長させることです。 結晶が十分に小さければ、量子ドットが形成されます。 異なる成長メカニズムによれば、この方法は化学蒸着と分子線エピタキシーに細分することができます。
この方法で成長した量子ドットは、別の種類の半導体上で成長し、従来の半導体デバイスと簡単に組み合わせることができます。 また、有機配位子がないため、エピタキシャル量子ドットよりも電荷移動効率が高く、コロイド量子ドットよりもエネルギー準位の制御が容易です。 同時に、表面の欠陥が少ないという利点もあります。 ただし、化学蒸着と分子線エピタキシーの両方で高真空または超高真空が必要なため、エピタキシャル量子ドットのコストはコロイド量子ドットのコストよりも高くなります。
電界閉じ込め方法
電界閉じ込め法とは、金属電極の電位を最大限に活用して半導体のエネルギー準位を歪ませ、キャリアに制約を与えることです。 量子ドットの必要なサイズはナノメートルレベルであるため、金属電極は電子ビーム露光によって製造する必要があります。 コストが最も高く、歩留まりが最も低くなります。 ただし、この方法で生成された量子ドットは、ゲート電圧を調整するだけで、エネルギー準位、キャリア数、スピンを制御できます。 可制御性が非常に高いため、このような量子ドットは量子コンピューティングにも最適です。
1.4量子ドットの使用
02
量子ドットディスプレイの応用
2.1歴史
1970年代初頭、半導体エピタキシャル成長技術の開発により、ナノ構造の作製が可能になりました。 まず、量子井戸（QW）と呼ばれる薄層の二次元ナノ構造が合成され、広く研究されました。 このナノ薄層構造は、2つの異なる半導体材料の配置によって形成されます。 電子と正孔は数ナノメートルの厚さの薄い層に閉じ込められており、これには明らかな閉じ込め効果があります。 組成比を調整することにより、量子井戸のバンドギャップを変えることができます。
2011年、Samsung Electronicsは、有機層と無機層をそれぞれ量子ドット発光層の電子輸送層と正孔輸送層として使用して、量子ドット発光ダイオードを製造しました。 サムスン電子は、量子ドットフィルムを転写法でパターン化することにより、4インチのフルカラーアクティブマトリックスQLEDディスプレイデバイスのプロトタイプを作成しました。 サムスンの研究者は、最初に量子ドット溶液をシリコンプレートに適用し、次に蒸発させ、次に突出部分を量子ドット層に押し込みます。 表面層を除去した後、それはガラス基板またはプラスチック基板に転写されます。 このプロセスは、基板への量子ドットを実現します。 移行。 その研究者は、ガラス基板または柔軟なプラスチック基板がディスプレイのプロトタイプの製造を達成するために使用されてきたと述べました。
2013年以来、量子ドットディスプレイ技術は液晶ディスプレイ（LCD）パネルに適用されてきました。 量子ドットフィルムは、バックライトモジュールと液晶セルの間に組み立てられ、高色域のテレビやタブレットコンピュータに適用されて、より広い範囲の色を実現します。 ドメインと低消費電力。
ソニーは2013年6月にバックライトに量子ドット技術を採用したハイエンド液晶テレビモデルを発売しました。 アマゾンはまた、2013年10月にLCDバックライトに量子ドットを使用するタブレットコンピューターを発売しました。
2.2量子ドットの表示特性
1.高い色純度、狭い発光スペクトルピーク、対称的な分布。
2.発光スペクトルは調整可能であり、量子ドットのサイズと材料を制御することで発光波長を変更し、それによって発光色を制御することができます。
3. 100％NTSCを超える色域をカバーする優れたカラーパフォーマンス。
4.発光効率が高く、量子効率が90％と高く、光の安定性が良好です。
5.超高解像度スクリーンの製造に使用できるナノレベルのピクセルを実現する可能性があります。
