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    • 什么是量子點?
    • 顯示器的成功應用
    • 新興圖像傳感器中的量子點
    • 量子點材料的選擇
    • QD-OLED顯示器的優(yōu)勢
    • 量子點身兼二職:改變和擴展
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應用前景闡揚光大,好“色”時代的量子點技術(shù)

2023/08/25
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據(jù)預測,到2034年,全球量子點材料市場將達到5.5億美元,與2022年相比,復合年增長率為其價值的12.3%。

全球量子點材料市場趨勢預測

IDTechEx《量子點材料與技術(shù)2024-2034:趨勢、市場、應用》最新報告提供了該技術(shù)的路線圖,以及隨著時間的推移將改變的各種應用的技術(shù)組合。量子點是否預示著照明應用的未來?

什么是量子點?

量子點(QD)是具有尺寸可調(diào)特征的2-10nm(10-50個原子)的半導體納米晶體。由于其納米尺度,它具有量子限制效應,可以產(chǎn)生顯著的光學和電學特性。

QDEF(量子點膜)制造工藝

量子點的特性可以通過顆粒大小、材料和成分進行調(diào)整。量子點材料包括:Cd(鎘)基、In(銦)基、PbS(硫化鉛)、Perovskite(鈣鈦礦),以及新興的CuInS2(硫銦銅)、InAs(砷化銦)、ZnTeSe(硒鎘汞)。它們具有不同的帶隙,因此具有不同的吸收和發(fā)射光譜的能力。

量子點操作模式

自1980年首次發(fā)現(xiàn)以來,其微調(diào)能力使量子點在商業(yè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化方面不斷顯示出巨大的潛力,具體應用包括顯示器(LCD、miniLED背光顯示、QD-OLED電視、QD-microLED電視、發(fā)光QLED顯示器)、光電探測器、圖像傳感器、光伏(PV)、照明和農(nóng)業(yè)薄膜、科研等。

顯示器的成功應用

顯示技術(shù)中,量子點已被廣泛用作色彩增強組件。與傳統(tǒng)液晶顯示器(LCD)相比,量子點可提供更寬的色域、更高的色彩精度和更高的亮度。激發(fā)發(fā)射特定波長光的獨特光致發(fā)光特性,使量子點能夠?qū)ED發(fā)出的藍光轉(zhuǎn)換為純紅色和綠色,從而實現(xiàn)更廣泛和精確的調(diào)色板。

對顯示器中量子點集成方法演變進行的研究表明,薄膜類型的采用相對于過時的邊緣光學器件具有主導地位。在材料進步和制造技術(shù)改進的推動下,用于OLED和micro-LED(μLED)或片上型量子點濾色器等新興方法正在獲得發(fā)展勢頭,最終可能超過薄膜型方法。

此外,量子點也是顯示器、跟蹤效率和壽命改進的終極發(fā)光材料。當然,它在性能、壽命、沉積/圖案化和器件設計方面還存在一些挑戰(zhàn)。

采用量子點的電致發(fā)光顯示器

點亮照明的未來

基于量子點的光致發(fā)光特性,其現(xiàn)有商業(yè)產(chǎn)品在照明技術(shù)中具有明顯的潛力。它可以作為顏色轉(zhuǎn)換器集成到LED照明系統(tǒng)中,從而產(chǎn)生可調(diào)諧的高質(zhì)量白光。基于量子點的LED可以實現(xiàn)優(yōu)異的顯色指數(shù)(CRI)和色溫,使其適用于各種照明應用,包括室內(nèi)和汽車照明。此外,量子點的窄發(fā)射光譜減少了復雜濾光的需求,有助于提高能源效率并減少光污染。

光伏中的量子點

從光伏技術(shù)分類看,基于晶圓的(第一代光伏)在半導體晶圓上制造,采用晶體硅和III-V族PV(例如化鎵),或多晶硅、單晶硅(占主導地位)?;诒∧ぜ夹g(shù)的第二代光伏,吸收光的效率是硅的10-100倍,可以使用幾微米的薄膜;新興的第三代光伏具有克服Shockley-Quisser(肖克利奎伊瑟極限)極限的潛力或基于新型半導體。

光伏技術(shù)分類

量子點可以集成到光伏設備中,從而實現(xiàn)第三代太陽能電池。通過設計量子點的帶隙以匹配太陽光譜的特定區(qū)域,使光伏電池有效捕獲更寬范圍的光波長,同時實現(xiàn)多激子生成(MEG)效應,從而改善光采集,提高轉(zhuǎn)換效率和弱光條件下的更高性能,還可以為柔性透明的光伏應用提供潛力。

量子點PV效率記錄,圖源:NREL太陽能光伏效率圖

新興圖像傳感器中的量子點

PbS量子點具有在寬波長范圍內(nèi)可調(diào)諧的優(yōu)點,適用于近紅外(NIR)或短波紅外(SWIR)傳感應用。一個有趣的可能性是,它可以與硅讀出集成電路(ROIC)結(jié)合,形成QD-Si NIR/SWIR混合圖像傳感器。這種創(chuàng)新集成為實現(xiàn)高分辨率小像素硅基NIR/SWIR傳感器提供了一條可能的途徑,消除了InGaAs(砷化銦鎵)傳感器與硅ROIC異質(zhì)雜化(heterogeneous hybridization)的必要?;诹孔狱c的低成本混合圖像傳感器不僅可以用于傳統(tǒng)上由InGaAs SWIR圖像傳感器實現(xiàn)的應用,還有助于實現(xiàn)其他新的應用。

QD-Si混合圖像傳感器可以同時實現(xiàn)高分辨率、低像素間距和全局快門,并具有低成本潛在能力。隨著第一代產(chǎn)品的面市,一些行業(yè)巨頭也涉足了這一領域,使這項技術(shù)的前景非常樂觀。

量子點材料的選擇

值得一提的是,晶格常數(shù)對于量子點材料至關(guān)重要,因為晶格失配會導致應變和缺陷,從而促進非輻射復合。

常見量子點材料的帶隙和晶格常數(shù)

與熒光體的FWHM(半峰全寬)相比,量子點的優(yōu)勢在于可以提供FWHM通常低于40nm的窄帶發(fā)射。Cd基量子點可以在商業(yè)上實現(xiàn)30-35nm(實驗室規(guī)模低于20nm),而綠色鈣鈦礦(CsPbBr3)的量子點不到20nm。

不過,綠色熒光體(β-sialon:Eu2+)的最窄FWHM仍然寬達55nm。目前唯一能產(chǎn)生窄FWHM的熒光體是GE的KSF:Mn+4系統(tǒng),它在紅色區(qū)域可產(chǎn)生五個2nm寬的峰。然而,KSF(含四價錳離子的氟硅酸鉀)有5個發(fā)射峰,平均峰值波長中心在約625nm,這并不夠深,還存在長PL(光致發(fā)光)衰減的問題。

寬帶黃色到窄帶綠色和紅色的各種熒光體

QD-OLED顯示器的優(yōu)勢

對比傳統(tǒng)的LCD與QD-OLED,前者的優(yōu)點包括:價格實惠、更成熟;供應鏈完善,市場上有很多參與者可供選擇。其缺點主要是會給斜角觀看帶來問題。

QD-OLED的優(yōu)點在于:能夠呈現(xiàn)完美的黑色;色域更寬,色彩更鮮艷;高動態(tài)范圍成像(HDR),高亮度。由于量子點在所有方向上都能均勻發(fā)光,可最大限度地減少不同角度的圖像質(zhì)量變化。例如,與傳統(tǒng)LCD相比,在距正面60°處,亮度比小于40%,而量子點顯示器超過70%。另外,由于LCD矩陣和濾色器的組合減少了LED背光產(chǎn)生的光,QD-OLED也更節(jié)能,QDCC(量子點色彩轉(zhuǎn)換片)在顏色轉(zhuǎn)換方面效率也更高。

與WOLED(白色有機電致發(fā)光二極管)相比,兩者的共同點是:更寬的色域、HDR、完美的黑色、良好的光圈比;均基于玻璃基板和氧化物TFT背板;均使用藍色OLED光源;都可以制成透明和/或可滾動形式;OLED圖案化均基于開放式金屬掩模,而QD-OLED本質(zhì)上是OLED的演變。兩者的差異在于:WOLED為底部發(fā)射,QD-OLED是頂部發(fā)射。另外,WOLED是CF(彩色濾光片)陣列,QD-OLED的CF是通過光刻或噴墨打印制成。

總體上看,雖然QD-OLED技術(shù)還不太成熟,但其顏色純度很高;由于沒有濾光片,可以實現(xiàn)更高的亮度;但QD-OLED的尺寸和分辨率選擇較少。從市場看,LG是WOLED顯示器的領導者,QD-OLED顯示器市場由三星主導。在價格方面,目前QD-OLED更貴,但可能變得便宜。

量子點身兼二職:改變和擴展

利用其光致發(fā)光和電致發(fā)光特性,量子點可以為各種應用中的現(xiàn)有技術(shù)提供附加值;針對不同案例重組供應鏈的潛力也為相關(guān)參與者帶來了新的機會。

隨著對量子點的深入技術(shù)研究和分析,與各種應用的集成路線圖還必須解決毒性、長期穩(wěn)定性以及大規(guī)模制造技術(shù)和成本等挑戰(zhàn)。時下,研究人員正在積極探索無毒、更穩(wěn)定的材料來克服這些障礙。此外,量子點合成技術(shù)和制造工藝的進步可能會降低生產(chǎn)成本,并促進商業(yè)應用的廣泛采用。

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