清華大學材料科學工程學研究團隊日前成功研發出「噴霧合成法製備完美顯色多彩鈣鈦礦量子點」,可用於開發量子產率趨近於100%的鈣鈦礦量子點,適於各種顯示器技術應用,並可望進一步發展以實現量子運算。

創新的「噴霧合成法製備完美顯色多彩鈣鈦礦量子點」技術是由清華大學材料科學工程學系教授林皓武帶領的研究團隊研發而成,他們利用簡易且低成本的噴霧合成技術,開發出具有量子產率趨近於100%、高色純度與高穩定度之鈣鈦礦量子點,其放光波長與頻寬完美符合下世代Rec.2020超廣色域規範,非常適合用於各顯示器技術。

鈣鈦礦量子點是近期非常熱門的研究主題,其具有優良的光物理特性,如色純度高。此外,鈣鈦礦量子點只要透過改變組成成份即可調色,相較於三五族半導體量子點僅能透過篩選粒徑大小調整放光波長,鈣鈦礦量子點具有相當大的優勢。

圖1:噴霧合成鈣鈦礦量子點優勢

然而,過去以注入法合成之鈣鈦礦量子點的結晶性、穩定性與量子產率較差,使其在應用與量產上受到限制。清華大學研究團隊成功地改善了這些問題,除了突破以往鈣鈦礦量子點結晶性差與不穩定性,噴霧製程還大幅增加了工業上大量合成的可能性。

研究團隊利用其研發出的噴霧合成法,將鈣鈦礦前驅物於反溶劑中析出產生奈米等級的鈣鈦礦晶體,再以離心方式分離並萃取粒徑大小較一致的鈣鈦礦量子點,此製程之鈣鈦礦量子點的光致發光量子產率在溶液中及固態薄膜皆可以達近100%。

此外,透過調整鈣鈦礦的成分,成功生產出一系列由深藍色至近紅外光的放光,因此非常適合應用於microLED之色彩轉換層材料,以實現全彩均勻的完美顯示器技術;同時,利用鈣鈦礦量子點之高量子產率與高穩定性的特性,使其在室溫下能夠達到光子反聚束的特性,為相當理想的單光子源,增加了室溫運行量子計算之可行性,同時也減少了對超低溫系統的能耗依賴。

圖2:量子點懸浮溶液,可調變不同鹵素成分,實現從深藍到紅外光光色的變化

研究中的鈣鈦礦量子點在RGB三種色光下皆具有超高色純度與高量子產率,將其與microLED結合,可以達到全色域、高純色與高穩定度之顯示器,並且有機會能夠解決microLED所面臨的問題。

儘管這項技術仍在研發階段,但已成功取得台灣專利,並受到國際的關注,吸引包括韓國首爾大學、美國田納西大學等國際研究團隊主動合作交流。

此外,該技術獨特的光物理性質並使其有機會實現室溫運行的量子運算,該創新研究成果已於2018年獲得《先進材料》(Advanced Materials)報導。