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2018-03-01鈣鈦礦螢光奈米晶體在光電領域之應用
579 期
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王迪彥（左上）、廖湘如（右上）、陳奕嘉（左下）、林柔均（右下）／東海大學化學系王迪彥教授實驗 室，主要開發新型態之奈米材料合成，並應用於光電及儲能、深入探討其材料反應機制。
從量子點說起⋯⋯
螢光奈米晶體主要是具有自發螢光特性，且為奈米尺寸 之材料，當中以量子點（quantum dot）最為特殊，此種稱之為量子點的材料主要是將激子（即電子電洞對）束縛在三維空間方向上的半導體奈米結構。當這種半導 體奈米結構尺寸小於他的波爾激子長度（Bohr exciton length），且粒子的能階會趨於與分子相似的性質，導致其能帶（energy band）產生量子限量化效應，此時形成不是連續的能帶；當粒子尺寸變得更小，其能隙（band gap）會變得更大，造成此量子點奈米晶體之光電性質會與其塊材有很大的差異（圖一）。
量子點始於1983 年，由哥倫比亞大學化學系教授布魯斯（Louis Brus）證明而得，若改變硫化鎘膠體的大 小，其激子能量也將隨之變化，膠狀量子點（colloidal quantum dot）的概念首次被提出。1993年，麻省理工 學院教授巴溫迪（Moungi Bawendi）實驗室第一次利用三種氧族元素（硫、硒、碲）溶解在三正辛基氧膦中， 而後於攝氏200~300度的有機溶液中與二甲基鎘反應，並在有機溶液中合成出了大小均一的量子點，成功產出硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘等量子點材料。之後在量子點的研究大部分都基於此種方法為合成基礎開發，包括 Ⅲ-Ⅴ族（GaN, InP），Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族（AgInS2, CuInS2） 量子點等等。
鈣鈦礦結構躍升主流
2010 年後出現一種新型態的量子點研究，以鈣鈦礦結構之螢光奈米晶體為主，其化學式組成為ABO3，其中 還分為「全無機類型」及「有機- 無機混合類型」。 全無機鉛鹵素之鈣鈦礦，如 CsPbX3（X 為 Cl-、Br- 以及 I-）， 晶體結構與半導體性質在1950 年代就已經被發 現；而擁有此種結構的有機-無機混合類型之化合物， 如 CH3NH3PbX3 及 CH（NH2） 2PbX3，也於1970 年晚期被發現，一直到了2010 年後，此種鈣鈦礦奈米尺 度下之光電特殊性質才被大量研究，並在太陽能電池及發光二極體有卓越的效能。許多文獻裡，鈣鈦礦所形成之奈米晶體，其螢光發光波長主要易受到不同鹵素離子之比例不同而有所改變，因此種奈米晶體尺寸多大於10 nm（超過其激子波爾長度），尺寸改變對於螢光放光 波長影響較小，也因此較為不適合稱之為量子點。本文將分別介紹新型態鈣鈦礦奈螢光奈米晶體之基本製備方法、光學物理性質以及它在光電領域上的應用價值。……【更多內容請閱讀科學月刊第579期】