量子点的概念

量子点（Quantum Dot）又可称为纳米晶，是一种由II－VI族或III－V族元素组成的纳米颗粒，是把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米晶体，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径（1 ～ 10 nm）的两倍。量子点一般为球形或类球形，分为单一结构和核－壳结构两种。市场上使用的量子点材料多为核－壳结构量子点，其粒径一般介于1 ～ 10 nm之间，是网球的六千万分之一，只比水分子略大。量子点的结构如下图所示。

量子点结构示意图

量子点是一种纳米级别的半导体，具有电致发光与光致放光的效果，通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定波长的光，发光颜色由量子点的组成材料和粒径大小决定，因而可通过调控量子点粒径大小来改变其发射光的颜色。由于这种纳米半导体拥有限制电子和电子空穴（Electron hole）的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。

量子点作为半导体纳米晶，当其粒径小于激子波尔半径时，内部的电子和空穴在各个方向上的运动均受到限制，很容易形成激子对。在物理尺寸较小的量子点内，由于载流子在各方向上的运动都受到局限，原本连续的能带结构会变成准分立的能级，使得材料有效带隙增大，进而辐射出能量更高、波长更短的光子。量子点的粒径越小，形成激子的概率越大，激子浓度越高，这种效应称为量子限域效应（Quantum Confinement Effect）。量子点的量子限域效应使得它的光学性能不同于常规半导体材料，其能带结构在靠近导带底处形成一些激子能级，产生激子吸收带，而激子的复合将会产生荧光辐射。量子点的粒径不同，电子和空穴被量子限域的程度不同，其分立的能级结构也有差别。这种分立的能级结构使得量子点具有独特的光学性质。

对于同一种材料的量子点，随着颗粒尺寸的不断缩小，电子和空穴的受限程度增大，导致二者的动能增加即量子限域能增大，量子点的有效带隙增宽，其发射光谱就可以实现从红光到蓝光的过渡，这也造就了量子点最引人注目的特性——光谱可调性。所以，可通过调节量子点的粒径大小来改变其发光颜色。

量子点显示的特性

目前使用的量子点材料主要有硒化镉（CdSe）系列和磷化铟（InP）系列。两种量子点材料各有优劣，硒化镉胜在发光效率高、色域表现力更为宽广；磷化铟则由于不含镉，不受欧盟ROHS标准的限制。

量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质。量子点具有的光学特性如下图所示。

量子点具有的光学特性

（1）量子点尺寸效应在显示领域有着非常重要的作用：通过精准调控量子点的不同粒径大小，使其在受到外来能量激发后，可以发出对应波长的光。量子点粒径越小，发光颜色越偏蓝色；量子点粒径越大，发光颜色越偏红色，如下图所示。因此，仅仅通过改变量子点的粒径大小，就可以使其发光颜色覆盖从蓝光到红光的整个可见光区域，而不像在其他显示器件中必需使用不同的材料。

量子点发光的尺寸效应

（2）量子点发射光谱半峰宽较窄且分布对称，如下1图所示，色纯度和色彩饱和度高，色彩表现力好，色域覆盖率从普通LED背光液晶电视的72% NTSC提高到110% NTSC以上，大幅度提升显示产品的色域表现，如下图2所示。色域是指屏幕所能显示的色彩范围，比如最红红到什么程度，最绿绿到什么程度。所以，色域越广，能够呈现的色彩就越多，画质更富有层次、更细腻。

图1  量子点发射光谱

图2  不同电视产品显示色域对比

（3）量子点纳米颗粒具有良好的线性光学性质，光学性能非常稳定，可以经受反复多次的激发，具有较高的发光效率，因此也更为节能。在同等画质下，与OLED相比，发光效率将提升30%至40%，而节能性是其2倍。

（4）具有实现纳米级像素的潜力，可用于制造超高分辨率屏幕。

（5）量子点是无机材料，稳定性强，不易老化，量子点显示器的使用寿命更长。