【研究成果】鈣鈦礦量子點玻璃複材,應用於光電產業的樂觀未來

by 朱 富國
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編譯 / Stella Sun (科學推展中心特約編輯)


 

近年來,科學家致力於合成更高的發光效率、輻射功率、色純度以及提高穩定性的放光材料,而以玻璃基質合成的鈣鈦礦量子點玻璃複合材料(Perovskite quantum dot glass, PQD@glass),此結晶方法能強化其放光性能與穩定性,並可將其實際應用在發光二極體、雷射、太陽能電池,以及光電二極體(Photodiode),能大幅延長其放光壽命,為未來的光電載體提供了新的應用視角。

2024 年初,國立臺灣大學理學院化學系特聘教授劉如熹,率研究團隊碩士生劉擎與博士生黃文澤,於國際期刊《材料科學進展》(Progress in Materials Science)發表回顧性論文,旨在探討以玻璃基質合成鈣鈦礦量子點,以及其在背光 LED 中的應用。以下讓我們來拆解並深入探討這篇論文的各項重點:

特殊金屬鹵化物材料「鈣鈦礦」(Perovskite)作為一種鈣與鈦的氧化礦物(CaTiO3,結構式為 ABX3,A 代表大半徑陽離子,B 代表金屬陽離子,X 則代表鹵族陰離子,X = Cl、Br 或 I),其吸收光的效率很高,主要可吸收較高能量的短波波段。吸收光子後,可以快速地分離成電子與電洞,傳送至電極而產生電流,再加工嵌入陽離子則可開發多種工程材料;其製備過程可調節能隙(Band Gap),並具有低激子束縛能、高吸光係數、高載流子遷移率、高缺陷容忍度等特性。而鈣鈦礦原材料來源廣泛且含量豐富,原料大量分布在地球各處,合成時對原材料的純度要求也比較低,製備工藝相對簡單,可達到半透明、超輕、超薄、柔性等各種應用需求。

另一方面,量子點(Quantum dots, QD)係由少量原子所構成的三個維度尺寸都在 100 奈米以下、外觀極小的點狀物,因其內部電子在各方向上的運動都受到侷限,所以其量子侷限效應(Quantum confinement effect)特別顯著;由於量子侷限效應會導致類似原子的不連續電子能階結構,因此量子點又被稱為「人造原子」(Artificial Atom)。近年開始發展的量子點 LED(Quantum dot LED, QLED)顯示器,正是利用這極小的量子點,達到更高的放光效率,且由於不同尺寸的量子點能產生不同顏色的單色光,因此 QLED 能讓螢幕顯色達到更廣的色域,使肉眼見到的畫面更加銳利與清晰。而漸漸被科學家注意到的正是存在於鈣鈦礦奈米晶體內的這類光學性質,並在合成了膠體 CsPbX3 鈣鈦礦奈米晶體後,將其在三維空間中的尺寸限制在 100 奈米以內,便可將這些 CsPbX3 鈣鈦礦奈米晶體分類為「鈣鈦礦量子點」(PQDs)。

PQDs 特殊的光學特性如可調諧發射波長、高色純度、超高的光致螢光量子產率(Photoluminescence quantum yield, PLQY)、高載流子遷移率和高光密度,均有極大的應用潛力,因此 CsPbX3(X = Cl、Br 或 I)PQDs 可能成為未來基於量子點的 LED 或其他光電器件的最有潛力的候選材料。然而 PQDs 的穩定性並不高,實際應用在光電子元件上仍有阻礙;當 PQDs 暴露於氧氣、濕氣、高溫、光照,或甚至電路負載等因素,都很容易降解並失去其特殊的光學性能。

在幾種增強 PQDs 固有穩定性和外部穩定性的方法中,研究團隊發現玻璃基質封裝可以為 PQDs 提供最佳保護,驗證了即使經過長時間連續運行,PQDs 的性能,如光效和輻射功率,也可以得到很好的維持。而為了提高 PQDs 的穩定性,在先前的研究中,已有採用各種玻璃基質來合成鈣鈦礦量子點玻璃(PQD@glass)的先例,包括磷矽酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、硼鍺酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃等。從過去的研究結果可得知,不同類型和組成的玻璃基質將會影響 PQD@glass 的物理和化學性質,如剛度、耐水性、熱穩定性,以及光穩定性。因此,選擇玻璃基質的類型和組成在增強 PQDs 穩定性方面扮演了重要的角色,不同的合成方法或參數也將影響其光致螢光性質。

目前已知 CsPbX3 PQD@glass 被廣泛應用在白光 LED(WLED)、背光液晶顯示器(Liquid crystal display, LCD)、光催化劑(Photocatalyst)、熱感應器(Thermal sensor)、雷射投影機等,其相對高的穩定性表示該複合材料經得起持久應用的考驗。透過將傳統的螢光粉替換為 CsPbX3 PQD@glass,有如放光材料的世代交替,不僅可以顯著提高光致發光量子產率,也因其出色的色純度表現,能進一步提高色域,經科學家之手加工打磨,未來更豐富的色彩將一步步拓寬我們現代人的視野。

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