理论计算的量子点黑
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
成各种需要的颜色组合
不同发光波长的CdSe/ZnS核壳结构量子点与440 nm蓝光LED组合产生白光
QD-LED用于显示背光
• 利用光谱可调性
QD（白）超过NTSC色域（黑） 104.3% 普通荧光粉（黄）仅有85.6%
蓝光LED+QD荧光粉 （蓝色）与 蓝光LED+普通荧光粉（灰色）光谱比较
三星公司46 inch LCD 电视 使用QD-LED背光
第六章 II-VI族LED材料
II-VI族 都是直接带隙
直接带隙 间接带隙
II-VI 量子点材料体系
• 量子点简介 • 制备方法 • LED应用
内容
6.2.1 量子点简介
• 量子点是半导体纳米晶 • 与常规半导体的材料是完全
一样的 • 常规半导体是宏观物质，量
子点非常小，直径仅有几个 nm量级，非常接近于零维 • 具有特殊的光学和电学性质
量子点不足：
1. 发光存在blinking (闪烁）现象 2. 重金属的生物安全性及污染问题
机理： 暗态(dark state): 仅空穴位于QD内 亮态(bright state): QD电中性
量子点LED典型结构(I)
影响因素
• 多层QD作有源层 • 间隔层材料选择、厚度 • 间隔层与量子点之间的应力状态 • 能带结构匹配 • 周期数、有源层总厚度
• 发光谱带很宽，长波方向不可避免会有带尾产生 • 难以控制颗粒尺寸、组分均匀性和均匀沉积成膜 • 导致可见光的变化、调色复杂 • 由于颗粒大，对光的散射造成色坐标随角度变化 • 稀土供应垄断（对西方是问题，对中国不是问题）
量子点优势
• 组分、形状、粒径、表面功能化、光学性 质可控
• 发光亮度高(量子效率可>90%) • 谱带窄(FWHM 20-50 nm) • 发光波长可调（仅需改变尺寸） • 各种易于形成复合材料，或易于混合，形
量子点作为有源层的优势
• 电子/空穴在QD中三维受限，波函数重叠更多， 复合发光阈值电流密度更低，效率更高
• 避免量子限域Stark效应的不利影响 • 电子/空穴限制在QD内，阻止向外扩散和传输，
减小被缺陷俘获的几率，降低非辐射复合 • QD发光单色性好，稳定性高，改变尺寸即可调节
发光波长，与传统MQW组分调节发光波长相比， 晶体质量更高，更方便
• 由于晶格失配，小岛在浸润层上形成 (尺寸 ~10 nm)
– 缺点：尺寸和形状变化较大, 排列不规则 – 控制小岛的成核
• 引入局域应变, 在位错上生长, 改变生长条件, 与图形化相结合
单个QD的扫描隧道显微镜图像 InAs/GaAs自组装QD
胶体化学法
• 通过控制反应使量子点在溶液中或衬底（高分子材料）上 形成
npx Lx
)Hale Waihona Puke Baidu
sin(
mpy Ly
)
s
in(
qpz Lz
),
n,
m,
q
integer
E n2h2 8 mLx 2
m2h2 8 mLy 2
q2h2 8 mLz 2
• 态密度 (DoS)
DoS dN dN dk dE dk dE
– 3D:
N (k) k space vol vol per state
4 3pk 3 (2p )3 V
结构 限制程度
体材料
0D
量子阱
1D
量子线
2D
量子点
3D
dN dE E
1
1/ E
d(E)
量子限域效应
• 带隙宽度增加 • 尺度调控带隙宽度：尺度越小，带隙宽度越大
(常规LED如InGaN中，通过In组分调控带隙宽度）
quantum dot
理论计算的量子点（黑）与块体(灰）CdSe 态密度比较
• 有时需要对粒子表面进行修饰（接上一些其它分子）以保 持化学稳定性
• 可以形成核-壳结构 • 典型的是II-VI半导体（CdS, CdSe等) • 尺寸有一定变化范围(粒径分布)
CdSe量子点
红色：尺寸较大 蓝色：尺寸较小
发光效率>90%
早期合成方法：微乳液法
胶体化学合成方法：油相高温热解法
TOPO: 三辛基氧化磷
物理基础
• 势阱中 分立能级
• Schrodinger 方程:
V
2 2 V (r) E 2m
(
x)
~
sin(
npx L
),
n
整数
• 对一维无限深势阱
x=0
x=L
总能量E n2h2
p
2 y
p
2 z
8mL2 2m 2m
• 对3D 无限深箱势阱
(
x,
y,
z
)
~
s
in(
• 目的：调控势垒使电子三维受限 • 三种基本方法： ➢光刻 ➢外延 ➢胶体化学
光刻法
• 在量子阱异质结构中刻蚀出柱状阵列 量子阱：一维限制 柱状：提供其它2个维度限制
• 电子束光刻 • 缺点：速度慢，污染，密度小，形成缺陷
外延：自组装生长
• 通过外延生长应变自组装生长量子点
– Stranski-Krastanov （岛状生长）生长模式 (MBE, MOCVD)
量子点LED典型结构(II)
• 以胶体QD为有源层
电子传输层 空穴传输层
QD-LED结构
• QD材料选取 • 空穴传输层选取
制约QD-LED发光效率的主要因素
表面修饰可有效提高QD发光性能
量子点作为荧光粉材料
传统荧光粉的缺点
传统荧光粉是依靠不同稀土金属离子组合发光， 存在不足之处：
核-壳结构量子点
Mg掺入含量对ZnO量子点形貌的影响
6.2.3 量子点在LED中的应用
• 作为发光有源层 • 替代荧光粉
传统量子阱有源层的不足
• 极化诱导内建电场引起量子限域Stark效应，发光 效率降低，尤其在大电流注入情况下
• 非极性MQW生长虽可避免量子限域Stark效应， 但引入高密度的层错缺陷
量子点发展历程
• 1960年代开始研究半导体胶体纳米晶 • 1990年代开始有量子点产品出售 • 最初用于制作低阈值激光器 • 1996年，J. M. Ge’rard首先提出利用QD作为有源层提高
LED发光内量子效率，开启QD用于照明光源的研究
QD-LED 外量子效率发展状况
6.2.2 量子点制备方法
阴影部分代表亮度
尽管普通荧光粉蓝和红部分比较高，但因为人眼对这两个波段不敏感，发光效率
仍低于QD荧光粉。
不同发光波长的CdSe/ZnS核壳结构量子点与440 nm蓝光LED组合产生白光
QD-LED用于显示背光
• 利用光谱可调性
QD（白）超过NTSC色域（黑） 104.3% 普通荧光粉（黄）仅有85.6%
蓝光LED+QD荧光粉 （蓝色）与 蓝光LED+普通荧光粉（灰色）光谱比较
三星公司46 inch LCD 电视 使用QD-LED背光
第六章 II-VI族LED材料
II-VI族 都是直接带隙
直接带隙 间接带隙
II-VI 量子点材料体系
• 量子点简介 • 制备方法 • LED应用
内容
6.2.1 量子点简介
• 量子点是半导体纳米晶 • 与常规半导体的材料是完全
一样的 • 常规半导体是宏观物质，量
子点非常小，直径仅有几个 nm量级，非常接近于零维 • 具有特殊的光学和电学性质
量子点不足：
1. 发光存在blinking (闪烁）现象 2. 重金属的生物安全性及污染问题
机理： 暗态(dark state): 仅空穴位于QD内 亮态(bright state): QD电中性
量子点LED典型结构(I)
影响因素
• 多层QD作有源层 • 间隔层材料选择、厚度 • 间隔层与量子点之间的应力状态 • 能带结构匹配 • 周期数、有源层总厚度
• 发光谱带很宽，长波方向不可避免会有带尾产生 • 难以控制颗粒尺寸、组分均匀性和均匀沉积成膜 • 导致可见光的变化、调色复杂 • 由于颗粒大，对光的散射造成色坐标随角度变化 • 稀土供应垄断（对西方是问题，对中国不是问题）
量子点优势
• 组分、形状、粒径、表面功能化、光学性 质可控
• 发光亮度高(量子效率可>90%) • 谱带窄(FWHM 20-50 nm) • 发光波长可调（仅需改变尺寸） • 各种易于形成复合材料，或易于混合，形
量子点作为有源层的优势
• 电子/空穴在QD中三维受限，波函数重叠更多， 复合发光阈值电流密度更低，效率更高
• 避免量子限域Stark效应的不利影响 • 电子/空穴限制在QD内，阻止向外扩散和传输，
减小被缺陷俘获的几率，降低非辐射复合 • QD发光单色性好，稳定性高，改变尺寸即可调节
发光波长，与传统MQW组分调节发光波长相比， 晶体质量更高，更方便
• 由于晶格失配，小岛在浸润层上形成 (尺寸 ~10 nm)
– 缺点：尺寸和形状变化较大, 排列不规则 – 控制小岛的成核
• 引入局域应变, 在位错上生长, 改变生长条件, 与图形化相结合
单个QD的扫描隧道显微镜图像 InAs/GaAs自组装QD
胶体化学法
• 通过控制反应使量子点在溶液中或衬底（高分子材料）上 形成
npx Lx
)Hale Waihona Puke Baidu
sin(
mpy Ly
)
s
in(
qpz Lz
),
n,
m,
q
integer
E n2h2 8 mLx 2
m2h2 8 mLy 2
q2h2 8 mLz 2
• 态密度 (DoS)
DoS dN dN dk dE dk dE
– 3D:
N (k) k space vol vol per state
4 3pk 3 (2p )3 V
结构 限制程度
体材料
0D
量子阱
1D
量子线
2D
量子点
3D
dN dE E
1
1/ E
d(E)
量子限域效应
• 带隙宽度增加 • 尺度调控带隙宽度：尺度越小，带隙宽度越大
(常规LED如InGaN中，通过In组分调控带隙宽度）
quantum dot
理论计算的量子点（黑）与块体(灰）CdSe 态密度比较
• 有时需要对粒子表面进行修饰（接上一些其它分子）以保 持化学稳定性
• 可以形成核-壳结构 • 典型的是II-VI半导体（CdS, CdSe等) • 尺寸有一定变化范围(粒径分布)
CdSe量子点
红色：尺寸较大 蓝色：尺寸较小
发光效率>90%
早期合成方法：微乳液法
胶体化学合成方法：油相高温热解法
TOPO: 三辛基氧化磷
物理基础
• 势阱中 分立能级
• Schrodinger 方程:
V
2 2 V (r) E 2m
(
x)
~
sin(
npx L
),
n
整数
• 对一维无限深势阱
x=0
x=L
总能量E n2h2
p
2 y
p
2 z
8mL2 2m 2m
• 对3D 无限深箱势阱
(
x,
y,
z
)
~
s
in(
• 目的：调控势垒使电子三维受限 • 三种基本方法： ➢光刻 ➢外延 ➢胶体化学
光刻法
• 在量子阱异质结构中刻蚀出柱状阵列 量子阱：一维限制 柱状：提供其它2个维度限制
• 电子束光刻 • 缺点：速度慢，污染，密度小，形成缺陷
外延：自组装生长
• 通过外延生长应变自组装生长量子点
– Stranski-Krastanov （岛状生长）生长模式 (MBE, MOCVD)
量子点LED典型结构(II)
• 以胶体QD为有源层
电子传输层 空穴传输层
QD-LED结构
• QD材料选取 • 空穴传输层选取
制约QD-LED发光效率的主要因素
表面修饰可有效提高QD发光性能
量子点作为荧光粉材料
传统荧光粉的缺点
传统荧光粉是依靠不同稀土金属离子组合发光， 存在不足之处：
核-壳结构量子点
Mg掺入含量对ZnO量子点形貌的影响
6.2.3 量子点在LED中的应用
• 作为发光有源层 • 替代荧光粉
传统量子阱有源层的不足
• 极化诱导内建电场引起量子限域Stark效应，发光 效率降低，尤其在大电流注入情况下
• 非极性MQW生长虽可避免量子限域Stark效应， 但引入高密度的层错缺陷
量子点发展历程
• 1960年代开始研究半导体胶体纳米晶 • 1990年代开始有量子点产品出售 • 最初用于制作低阈值激光器 • 1996年，J. M. Ge’rard首先提出利用QD作为有源层提高
LED发光内量子效率，开启QD用于照明光源的研究
QD-LED 外量子效率发展状况
6.2.2 量子点制备方法
阴影部分代表亮度
尽管普通荧光粉蓝和红部分比较高，但因为人眼对这两个波段不敏感，发光效率
仍低于QD荧光粉。