【显示干货】量子点技术浅析

量子点

1.1 量子

量子（quantum）是现代物理的重要概念。最早是德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍。后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。

量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。在20世纪的前半期，出现了新的概念。许多物理学家将量子力学视为了解和描述自然的基本理论。在量子出现在世界上100多年间，经过普朗克等许多科学家的不懈努力，已初步建立量子力学理论。后来，经爱因斯坦等人的完善，达到了顶峰！是不是有点小晕，没事，下来显示君就带大家进入量子点之旅。

1.2. 量子点

量子点（英语：Quantum Dot）是在把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种约束可以归结于静电势（由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生），两种不同半导体材料的界面（例如：在自组量子点中），半导体的表面（例如：半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子、电洞或电子电洞对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。

1.3. 量子点物理效应

量子尺寸效应

通过控制量子点的形状、结构、尺寸，可以很方便的调节其能隙宽度、束缚能大小以及激子的能量蓝移等电子状态

表面效应

粒径减小，比表面积增大，表面原子数量增多，导致表面原子配位数不足，表面断键增多，使量子点活性增大。同时表面缺陷导致陷阱电子或空穴影响量子点的发光特性，

介电限域效应

由于量子点与电子的De Broglie波长、相干波长及激子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应

量子隧道效应

纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电.电子从一个量子阱穿越量子垫垒进入另一个量子阱就出现了量子隧道效应

1.4. 主要性质

(l) 量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以CdTe量子为例，当它的粒径从2.5nm生长到4.0nm时，它们的发射波长可以从510nm红移到660nm

(2) 量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。

(3) 量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了荧光标记在中的应用。而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给实际的研究工作带来了很多不便。此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。

(4) 量子点具有较大的斯托克斯位移。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。

(5) 生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。

(6) 量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒(这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当）。而量子点的荧光寿命可持续数十纳秒（20ns一50ns)，这使得当光激发后，大多数的自发荧光已经衰变，而量子点荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。

总而言之，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色可调，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光探针。

1.5. 量子点的种类

量子点显示技术

众所周知，QLED所采用的量子点是一种半导体纳米晶体，当受到光或电的刺激时，量子点便会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，因此可以通过改变量子点形态得到包括红光到蓝光的高峰值纯色光，在色彩上具有先天性绝对优势。而量子点在显示技术领域上的两大应用方向，却经常被混淆：

一是基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术(Quantum Dots-Backlight Unit，即QD-BLU)，即目前市面上量子点电视所采用的方案，目的是解决是普通LCD电视背光色彩不够亮白的问题，这种颜色偏差体现在屏幕图像中，用户会觉得画面偏冷或偏暖，达不到最佳视觉体验。采用蓝光LED通过附有红色和绿色量子点的光学材料(QDEF膜片)得到高纯度的白光，这一问题得到很好解决，同时还原出非常靓丽的色彩，属于量子点技术应用在LCD领域的折中方案。

三星目前致力于研发的QLED，是指量子点第二类应用：基于电致发光特性的量子点发光二极管显示技术(Quantum Dots Light Emitting Diode Display，即QLED)，这属于量子点在显示技术领域的更高级应用。它不再是蓝光通过一层量子点材料产生白光照亮液晶屏幕，而是通过电驱动，使量子点本身发光并通过混色产生图像，不再需要液晶，彩膜，也省去了背光单元。这就使得QLED与OLED在显示方式上具有相似的原理。

2.1. QLED技术是什么

QLED是“Quantum Dot light Emitting Diode”的简写，中文译名是量子点发光二极管，亦可称量子屏显示技术。QLED的核心成像材料和OLED不同（OLED是采用小分子有机发光材料来成像的），其量子点由锌、镉、硒和硫原子组合而成。这些量子点的体积非常小，是一种只有粒径不足10纳米的颗粒，每当量子点受到光或电的刺激，便会发出不同的有色光线，这就是QLED发光原理。

2.2. QLED技术特点

1、量子点QLED显示技术是将量子点的光学材料放入背照灯与液晶面板之间，可以使色域达到或超过OLED的水平，甚至可以省去光源侧的偏光片，有效降低液晶显示产品（适用于液晶电视和液晶显示器）的制造成本。

2、量子点QLED显示技术主要包括量子点发光二极管显示技术（QLED）和量子点背光源技术（QD-BLU），量子点具有发光特性，量子点薄膜（QDEF）中的量子点在蓝色LED背光照射下生成红光和绿光，并同其余透过薄膜的蓝光一起混合得到白光，从而提升整个背光系统的发光效果。

3、量子点QLED显示技术与众不同的特性，每当受到光或电的刺激，量子点便会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，量子点能够将LED光源发出的蓝光完全转化为白光（传统YAG荧光体只能吸收一部分），这意味着在同样的亮度下，量子点QLED所需的蓝光更少，在电光转化中需要的电力亦更少，有效降低背光系统的功耗总成。

4、量子点QLED显示技术得天独厚的优势令电视亮度有效提升30～40%，背光源系统色彩转换效率大幅提升的情况下，画面的色彩更亮丽，兼顾节能环保等特点，画面亮度、色彩纯度均为WLED背光系统的2倍左右，性能提升十分明显。

2.3. QLED电视与OLED电视本质区别

QLED量子屏显示技术目标是取代OLED显示技术，必须有过硬的技术实力和市场条件才行，那么QLED技术相比OLED技术的优势在什么地方呢？

1、QLED量子屏制造成本不足OLED一半。

2、OLED制造时需要“阴罩”，而阴罩易发生热胀冷缩，从而影响显示精准度，而QLED整个制造过程无需阴罩，规避了这一问题，长时间保持画质稳定。

3、OLED色彩不易控制，需要色彩滤光片“校正”才能显示不同纯色，而QLED从一开始就可以显示不同纯色。

4、QLED发光效率比OLED高30～45%，相同画质下QLED比OLED节能2倍。

大家知道，OLED相对于传统的TFT-LCD显示优势已经很明显，但同时相对于OLED，QLED也具有几大优势：

1. 由于OLED采用有机材料，三种发光材料寿命不同是自身不可逾越的致命伤。而量子点晶体为非有机物，所以工作状态更稳定，寿命更长，成本也更低。

2. 因为工艺复杂，生产良率过低一直是大屏OLED难以克服的问题，而QLED工艺流程相对简单，在大规模量产方面具有先天优势。

3. QLED色彩表现更加完美，色域可轻易达到最严苛的色彩标准BT2020 90%以上，而OLED电视色域虽然远超传统LCD电视，但在BT2020标准下，大概为70%左右。

4. 在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍。

综上所述，量子点技术明显有一个不错的应用前景。但目前我们看到的量子点技术应用在背光板上，通过背光板的性能提升带动液晶产品的显示性能，未来量子点技术将直接应用于显示面板才是完全发挥其性能的终极状态！此时，量子点显示技术节能、色纯高等特点才能发挥的淋漓尽致。最后，让我们通过此视频在量子点大咖的引领下深入了解量子点显示技术。