量子點技術的新應用
105/08/17
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黃煒盛｜
第一科技技術股份有限公司
量子點(Quantum Dot)的概念誕生於1980年代初期，原本是指在3D方向上均受到束縛、被封閉在狹小空間內的電子狀態，發展至今，科學家把可實現這種電子狀態，直徑為數奈米～數十奈米的化合物半導體或氧化物微粒子稱作量子點。
量子點目前最大應用是在於讓液晶螢幕的色彩變得鮮艷，同時又降低能源損耗，幾家顯示器應用大廠都相繼申請了採用量子點螢幕的專利。量子點在液晶螢幕背照燈中起的作用是對藍色LED發出的光進行波長轉換，從而獲得希望的光色。這個應用的特點是，可以通過控制量子點的粒子（晶體）大小進而控制發光顏色，只要是波長較長的光，就能自由控制。由於粒子大小決定帶隙(band gap)，因此，只要準備大小一致的量子點，便可獲得光譜峰形尖銳、色純度高的發光效果。這樣一來，就能提高螢幕的色彩表現性並降低功耗。這種特點還可用於液晶螢幕背照燈以外的用途。比如，用於投影機的光源時，在提高投影機的亮度、色彩表現性以及對比度方面可作出貢獻。而且，量子點還可能應用於可彎曲照明及自發光顯示器等用途，雖然還沒有商品化。
另外，將量子點技術用於二次電池領域的動向也成為關注焦點。日本的兩家電池大廠共同開發出了基於新原理的二次電池「battenice」的量產技術。這種電池屬於採用量子技術的物理電池而非化學電池，充電層採用了用絕緣膜包裹的n型金屬氧化物半導體微粒。這種電池的優點是：全部由固體構成，無需擔心漏液；不使用可燃性材料，無需擔心過熱起火；不使用稀有金屬和稀土材料，無需擔心資源採購。可見，量子點技術今後的發展不容忽視。
最新量子點的應用是將機械共振器(mechanical resonators)與量子點相結合的新型半導體混合元件，科學家根據量子點的電阻值變化成功檢測出了共振器的細微運動。機械共振器是最理想的簡諧共振系統，可以應用於科學研究或是新的儀器零組件。而更一步功能的應用是將其與其它物理系統做結合。機械共振器不僅可以用以偵測，同時可以利用壓電偶合的方式的來操縱。這種概念最成功的應用是腔光機械 (cavity optomechanics)，在該系統中，機械共振器是擔任光腔中的反射鏡並從被封閉的光子所產生的被動力，進而產生振動並擴大其簡協運動。而其可逆特徵在許多應用上扮演著重要的角色，像是結合非傳統聲子(Phonen)與光子的製備上。這項技術有望將可整合到半導體晶片上的分子感測器及磁力感測器的靈敏度及功能提高至極限。
這次科學家所製作的腔光機械共振器為長50μm×寬6μm×厚1μm的小板簧，由於重量極輕，因此會在熱能作用下產生無序振動（熱振動）。通過在機械共振器中嵌入量子點，成功檢測出了100 mK極低溫度下的熱振動。這時的最小檢測位移被檢測出來，其距離還不到氫原子直徑的1/1000。
這次混合量子點機械共振器系統是用AlGaN/GaN MSM二維電子氣(2-D electron gas，簡稱2DEG)所構成。一個單體異質結構位於表面下90奈米，而其壓變電容元件中的薄片密度(Sheet density)為3x1011 cm-2。這個元件的蝕刻製程步驟如下：將元件浸在10度C稀硫酸與雙氧水溶液清洗。利用光蝕刻及鍍上200 nm厚的AuGeNi，並將試片置於氫氣保護中430度退火60秒，讓AuGeNi合金化到壓變電容上。利用電子束標記組立位置，並鍍上100 nm厚的鉻與金。機電部份的簡諧共振器利用電子束光蝕刻及溼式蝕刻製程。利用電子束進行光蝕刻簡諧共振器中蕭特基二極體柵欄部位並沉積25 nm厚的鉻與金。接著，利用光刻連結蕭特基二極體柵欄與連結板部位，而連結板是沉積200 nm厚的金所製備。並將光蝕刻所夾持的機械簡諧共振器並浸在10度C稀硫酸與雙氧水溶液5分鐘，以去除Al0.65Ga0.35As的犧牲層。此時簡諧共振器會從基底脫離並進一步使用氫氟酸腐蝕犧牲層。最後用水、丙酮及酒精清洗後在室溫中緩慢乾燥。
另外，此次還發現，振子共振特性會隨著封入量子點的電子的狀態發生巨大變化，觀測到了電流作用下產生振動（Q值）增減及衰減的效應。Q值在量子點作用下提高這一觀測結果尚屬全球首例，相當於證實了電流作用下的機械振動放大效應。
此次獲得的振動檢測靈敏度接近量子極限的約70倍，原因在於檢測靈敏度取決於測量元件輸出功率的外部放大器的噪音。今後科學家的目標是建立跨越量子極限的超高靈敏度計測技術。另外，還將通過提高量子點作用下的振動放大效應，實現在電流施加聲子雷射器及單一聲子發生器等領域的應用。
未來，量子點的應用除了液晶螢幕的背光LED燈泡應用外，其特殊的物理性質，量子點的新應用將會不斷被開發出來，在各個領域中大放光彩。（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播：遇見無所不在的生活科學｣執行團隊撰稿）
責任編輯：張尹貞
審校：張惠博
