很多東西都是偶然發現的——引力、青霉素、新大陸——現在這個名單又有了新成員：美國能源部勞倫斯?伯克利國家實驗室的科學家發現了，為什么一項制造量子點和納米柱的技術到目前為止還不能令人滿意。而且，他們還發現了如何糾正這個問題。

伯克利實驗室的化學家Paul Alivisatos和Illinois大學的化學家Prashant Jain領導一組研究者發現，為什么溶液中的多種成分結晶而成的納米晶體經過陽離子置換后，色澤變差了。他們發現，問題的根源是最終的產品不純。研究小組還指出，這些雜質可以通過加熱去除。

圖片左邊的瓶子里裝的是凈化前的晶體，右邊的瓶子里是把雜質去除后的納米晶體。

所謂量子點

量子點是指直徑小于納米的半導體超微顆粒。1納米相當于十億分之一米，足見量子點顆粒之小。簡單比較來說，如果世界的大小假定為1，那么量子點（0.000000001）就相當于一個足球那么大。它比時下已成為問題的空氣中的超細微顆粒（2.5μm）都要小一千倍。量子點是由無機物材料，直徑為2~10納米的內核和外殼組成，最終由高分子涂層包裹而成的構造。最具代表性的量子點材料是鎘。由于鎘對環境有害，三星開發了新的量子點技術，即使沒有鎘材料，依舊可以保持量子點的高性能。目前這項技術正投入使用中。

量子點的發光原理

量子點的獨特之處在于，即使向同一種物質發光或供給電流，根據粒子的大小卻會展現出不同的顏色。粒子若小則會看到藍色的短波光，粒子若大則會看到紅色的長波光，因而可以通過粒子的大小來表現不同的顏色。

量子點顯示的分類

① QDEF-LCD （Quantum Dot Enhancement Film LCD）

目前應用量子點技術的產品如已上市的三星SUHD電視等，主要使用的就是QDEF技術。就是在基準的LCD上添加量子薄膜。其具體方式就是將含有量子點的量子薄膜如上圖所示插入在發光的背光模組之上，讓穿過薄膜的光通過液晶和彩色濾光片的方式展現顏色。構造雖與LCD的方式無異，但通過QDEF技術可以得到相當好的色彩再現效果。

② QDCF-LCD （Quantum Dot Color Filter LCD）

與QDEF的方式在LCD的背光模組上添加量子薄膜不同，QDCF技術是直接將基準的LCD彩色濾光片（color filter）材料換成QD來表現所需的顏色。這項技術的優勢在于量子點的發光位置就在離人眼更近的彩色濾光片上，相對于量子薄膜內的光要通過液晶和彩色濾光片的QDEF方式可展現純度更高的色彩表現力。

③ QD-OLED （Quantum Dot OLED）

目前學術界在討論關于將量子點和OLED結合的新技術。如果說到目前為止討論的QDEF和QDCF技術是以LCD為基礎的概念，那么QD技術就是將OLED的藍光應用在背光模組，使光通過由量子點組成的紅色和綠色彩色濾光片來表現顏色的概念。依舊使用彩色濾光片與LCD相似，同時不選用液晶而是OLED材料又與OLED相似，因而被叫做OLED量子點混合型技術。由于背光模組的材質是OLED并且不含液晶材料，理論上是可以實現柔性顯示技術的。

④ QD-LED （Quantum Dot Light Emitting Diode）

最后一項稱之為QD-LED技術。這項技術與前三者有著很大的不同。QD-LED技術是指以量子點元素組成的RGB自身可發出固有的顏色。自體發光這一點與OLED（有機發光二極管）相似。顯示構造雖與目前的OLED相似，然而發光物質由無機物換成有機物可看成差異很大的概念。OLED所采用的有機材料在空氣與水分中易受損的反面，采用無機材料的量子點不存在相應問題，所以在制造過程和使命壽命層面上得到了積極正面的評價。當然量子點在攝氏50度以上有易受損的缺點，但作為可克服現有難題的新技術，未來會受到更多的矚目。

量子點技術核心技能

光的原理大抵包含電致發光（Electroluminescence，EL）、光致發光（Photoluminescence，PL）和化學發光（生物發光和燃燒發光可歸類在此），而如今被普遍使用，能產生高亮度、并且有效節能的方式，正是電致發光，早在愛迪生發明電燈時，就已打開電致發光的大門，光源之旅一路從始祖鎢絲燈，一路走到今日的LED固態照明。

而LED、OLED和量子點，都同屬于電致發光中的固態場效發光，電子從激發態（Excited State）以輻射的方式回到基態（Ground State），當材料是直接能隙半導體時，這個輻射就會以光的形式呈現，對無機物LED和量子點來說，激發態的能量位置稱之為傳導帶（Conduction Band，CB），基態的位置稱之為價帶（Valence Band，VB），而對有機物OLED而言，只要把CB和VB換成LUMO和HOMO就好了，道理大抵都是相通的。

激發態的能量較高，回到基態時是釋放能量的，對可發光的半導體材料來說，光就是這股被釋放的能量，激發態與基態間關鍵的能量差就叫做能隙（Energy Gap），能隙決定了光的能量，進而決定了光的頻率與波長，總結的說，材料的能隙就定義了光的色彩，是解開光譜奧秘的鑰匙，不同的發光材料（直接能隙半導體），理論上對應了不同的能隙。

于是在固態發光的旅程中，科學家絞盡腦汁尋找各種波長對應的理想材料，輔以摻雜（doping）的技術實現各種顏色的光，商業化的過程還得考慮到效率、晶格匹配、熱膨脹匹配等種種考量，背后蘊含了龐大的知識與技術，固態照明能有今天的成果，得要感謝科學家們的努力，替照明世界找齊那一塊一塊的拼圖，無怪乎1993年中村叔叔搞出高亮度藍光，補足RGB三缺一的詛咒時，全世界都流眼淚了！這個被譽為“二十世紀不可能的任務”的里程碑，一來意味著二極體白光的誕生，固態照明的路從此打開，二來意味著實現全色彩（Full Color）的原料齊備，LED可以拿去做顯示了！一個藍光的突破，讓LED一口氣打開通往兩個巨大市場的門，中村于是當之無愧的成了諾貝爾獎得主。

該說說量子點了。

對于一維二維三維的納米材料我們這里不討論，我們只需看塊材（Bulk Material）和量子點（Quantum Dot）就好，一般在半導體的領域，我們使用的材料是塊材，塊材由許多原子透過共價鍵合體，原子與原子間的復雜作用力，讓不連續的能階形成接近連續的能帶，也就是我們所說的導帶和價帶，導帶與價帶間有固定的能量差，于是塊材的能隙就這么決定了。但當我們把塊材持續的縮小到奈米尺度，且小于其波爾半徑時，量子局限效應（Quantum Confinement）出現了，原本固定的能階會開始往外擴，當尺寸持續縮小時，發光波長會開始藍移（能量變強，光的波長變短）

這個因為量子局限效應出現的能階改變，就是量子點進入顯示舞臺的核心，只要選一個能隙小的材料，透過尺寸控制就能發出所有可見光，對，所有，什么晶格匹配什么摻雜的功夫都可以洗洗睡了。

量子點最夢幻的事，就是“一種材料，各種波長”，這個光可調的技能，可以用固定的材料去實現多種波長，色彩還又準又pure，這真的很過分，徹底玩弄了半導體能隙與波長一對一的常理。于是，如LED和OLED那般尋找波長拼圖的做法成了歷史，量子點的世界只需要一把鑰匙－－－“化合物的選擇”，說起來簡單，但這個化合物不僅要能在藍移時涵蓋所有可見光、要有最小的半高寬、理想的轉換效率，還要不含毒素跟好合成…，這些條件列出來確實科學家也哭著想回家了，但…這是奈米材料啊！奈米材料是材料科學的未來啊！怎么能跟簡單沾上邊呢？困難是理所當然的，反正找到了就是一百，找不到就是零，量子點材料選好了以后，再也不需要擔心的就是色域，更遑論去思考白光缺少哪個要素這種別腳的問題。

從應用端的延展性來看，量子點同時具備了發散跟收斂的能力，不只能用一把鑰匙打開所有波長的門，實現精準的色彩、完美的色域；在光致發光的應用時，還可以讓不同門通往同一個房間－－－只要來源光都在可激發的范圍，量子點能把不同波長的光轉換成單一波長，實現光一致性的“整光”效果，這對顯示來說是個振奮人心的特質，解決了單一Wafer晶片波長范圍難以微縮的難題，于是這個能“一轉多”又能“多轉一”的神奇材料，也成了小間距顯示屏與Micro LED熱切觀望，期許能解決自身技術限制的秘密武器。

量子點跟LED和OLED的關鍵差別，就是（1）擁有控制波長的完美特質，以及（2）目前唯一能在光致發光和電致發光都有所作為的材料，這兩點大大的打開量子點的應用彈性與想像空間。

量子點的尺寸非常小，已經很難用Top－Down的方法制造，目前的制備方法都是Bottom－up，也就是用三口瓶像煮火鍋一樣煮出來的，過去為了提高量子點的發光效率，采用了Core－Shell結構（下圖左），用能隙更寬的材料保護中央的發光中心，以CdSe／CdS結構來說，CdSe是發光中心，CdS是保護外殼，這種作法持續很久，量子點的發光波長跟尺寸大小在這個時期都是直接相關的，普遍來說2nm～10nm的大小的量子點，可以對應藍光到紅光的所有可見光，越大顆波長就越長，反之亦然。后來稱作合金（Alloy）量子點的作法出現了（下圖右），透過混合兩種材料的做法來控制光的波長，量子點大小不再是判斷色彩的指標，合金的做法可以讓同樣尺寸的量子點，發出不同波長的光，漸漸地成為今日量子點的主流。

最理想的發光材料目前還是硒化鎘（CdSe），但硒化鎘含鎘，導致其始終背負著ROHS的包袱，一直在豁免的期限上與歐盟拉扯，行銷上也成為被替代技術痛擊的弱點，再說了，只要被貼上含毒的標簽，消費者就很容易從懷疑轉成恐慌（消費者是非理性的），更別說未來回收還要面臨各種限制。于是，“含鎘”成了量子點商業化的詛咒，為了甩開這個詛咒，量子點只能努力地朝向非鎘與低鎘材料前進。