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異原子摻雜水相量子點的應用
 
 

顯示器的效能一直是廠商主打的重點。以電視為例,體積龐大的陰極射線管電視從1990年代起逐漸被體積較小的液晶電視取代。(圖片來源:AlexAntropov86)
▲顯示器的效能一直是廠商主打的重點。以電視為例,體積龐大的陰極射線管電視從1990年代起逐漸被體積較小的液晶電視取代。(圖片來源:AlexAntropov86)

在資訊流通迅速的現代,手機、電視、電腦已是生活中不可或缺的電子產品,其中,顯示器的效能一直是廠商主打的重點。以電視為例,體積龐大的陰極射線管電視從1990年代起逐漸被體積較小的液晶電視取代,而近幾年色彩更鮮豔,更能貼近真實影像的量子點(quantum dot)電視也已量產上市。究竟「量子點」是什麼?有哪些應用?就讓臺灣科技大學化工系張家耀教授為大家解答吧!

 

改變量子點大小 精準調控色光

 

「一般材料在小於100奈米時會呈現出獨特的光學、物理、化學特性,當尺寸小於10奈米時,因為量子局限效應而出現量子化能階,這稱為量子點,它的能階會隨粒徑減小而產生藍位移現象。」張教授表示,這種特性意味著只需改變材料的尺寸,便能控制其發光的顏色,這有別於有機材料需藉由官能基的改變才能發出不同顏色的光。量子點製備的參數較簡單,只要控制反應時間,時間越短,粒徑便越小。

這與有機材料的製程相較簡單多了,發光顏色也更容易控制,當然在顯示器應用上便能呈現更為細膩的彩色影像。

 

無毒水相量子點 應用更加廣泛

 

有關量子點材料的研究已數十年,但過去研究多偏重鎘、鉛等含有毒性的重金屬元素。這些量子點材料雖然光電特性優異,但製備過程有害人體及自然環境,因此科學家改以研發不含重金屬的I-III-VI族三元量子點。張家耀教授的研究就以改善傳統製程為主,他以水相取代過去的有機相製程,進行「微波輔助異原子摻雜水相量子點製備」的相關研究。

 

張教授說:「傳統量子點的製程需要在真空環境或有機溶劑中合成,難免對環境有不良影響。而水相量子點的步驟簡便快速,在後續生醫與太陽能電池應用上可以直接使用,免去繁瑣耗時的相轉換過程,有助於在未來實際產業上的應用。」值得一提的是,加入異原子可讓量子點的應用更為廣泛,例如以錳、釓摻雜於I-III-VI族量子點後,除本身螢光特性外,還兼具磁性功能,適用於生醫影像系統中的光學和核磁共振攝影(MRI)。

 

改善太陽能電池光電轉換效率

 

然而以水製作量子點最大的難題是「溫度」的控制,溫度升高會造成量子點的結晶變化,水相製程尤受限於水的沸點,若單靠水所做出的量子點材料,其放光效率會較差。此外,在製作三元量子點時,若升溫速度慢,會有二元量子點副產物生成,不利量子點的品質。因此需要藉由微波輔助使其瞬間加熱,使溫度快速升至兩百多度,讓兩種陽離子和一個陰離子可以瞬間反應產生晶核進而成長,才能順利長成所需的量子點,並避免副產物的生成。

 

目前張家耀教授的團隊利用微波輔助全水相合成CuInS2量子點與CuInSe2量子點,以製作量子點敏化太陽能電池,已經可以達到8%的光電轉換效率,以純水相製程來說是相當傲人的成績。「剛開始水相量子點無法順利吸附在薄膜上,光電轉換效率很差,僅1%,後來發現在某種化合物殘留的組別卻有較高的轉換效率,進而解決了這項難題。」

 

原來該化合物是反應過程的副產物,本應完全除去,卻因為有部分殘留,反而成為共吸附劑,使水相量子點能吸附在薄膜上。對此,張教授表示,這就是科學研究迷人之處,若照著思維去進行實驗不一定有結果,無心插柳反而可能帶來重大的突破。

 

異原子摻雜水相量子點的未來

 

因量子點材料具有尺寸可調控的光學性質,用單一激發源就能同時看見不同顏色的色光,因此在生醫應用上能同時進行多樣檢測,甚至達到治療的效果。張家耀教授說:「若把量子點進行表面改質,包覆上抗癌藥物,或利用光源能量激發已結合在癌細胞上的量子點,使它產生活性氧以攻擊癌細胞,便可以同時完成癌細胞位置辨識及治療的效果。」目前這些生醫相關的研究尚在體外細胞實驗階段,以目前的進展,未來量子點在免疫分析檢測、追蹤腫瘤細胞生長、藥物治療等應用上,必能大放光彩!

 

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