2018年2月26日

鈣鈦礦螢光奈米晶體在光電領域之應用

王迪彥、廖湘如、陳奕嘉、林柔均/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)。

圖一:螢光量子點尺寸相對於直接能隙大小與放出之螢光波長之示意圖。(作者提供)


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(NH22PbX3,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10nm(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。

基本化學結構、合成方法與自組裝


圖二:(a)無機鉛鹵素鈣鈦礦之各種晶體結構圖。
(b)代表性之CsPbBr3 奈米晶體穿透式電子顯微鏡影像圖。(作者提供)

鈣鈦礦奈米晶體目前最主要分成兩種:全無機鉛鹵素或有機- 無機混合鈣鈦礦。其晶體結構與一般傳統金屬氧化鈣鈦礦(BaTiO3)相似,主體為八面體的PbX6,圖二(a)的A 位置為主體與主體間縫隙,由1 或3 個大型陽離子分子(Cs+、CH3NH3+ 或CH(NH22+)佔據,形成APbX3 的組成。......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】


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