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纳米尺度下:LED、激光LD与量子点应用

2017-06-29 09:10
潇纵
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定义:不是所有尺寸小于100nm纳米材料都叫纳米科技

纳米科技广义的定义,泛指尺寸小于100nm(纳米)的材料,而研究纳米材料的科学技术泛称为「纳米科技(Nanotechnology)」。纳米科技的研究范围很广,包括纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米机械加工学、纳米力学与纳米测量学等领域, 许多尖端的研究不断地在进行,让我们先来了解到底什么是纳米科技吧!

纳米科技严格的定义必须「同时」满足下面三个条件:

1、纳米材料的尺寸小于100nm。

2、纳米材料体积微小,具有全新的光、电、磁、声、化学与机械等性质。

3、纳米材料必须具有全新的研究价值与应用。

换句话说,只满足体积微小并不是纳米科技最重要的条件,必须具有全新的性质与应用,才是纳米科技讨论的重点。

值得一提的是,纳米科技严格的定义必须同时满足上面三个条件,但是目前整个学术界与产业界都是使用较宽松的定义,也就是只要满足上面的第一个条件尺寸小于100nm即可,造成今日凡事皆纳米的混乱局面,许多厂商更是趁着这个混乱局面滥用「纳米」二字,本文将以简单的文句帮大家科普,让各位成为理智的纳米科技判断者。

分类:大致可以分为纳米材料和纳米技术两个重要领域

纳米科技产业目前仍然不算完整,许多应用还在理论研究的阶段,因此不容易完整地分类,但是大致上可以区分成两个重要的领域:

纳米材料(Nano-materials):是指「最终成品」,意思是利用纳米加工技术,将材料加工成尺寸在100nm以下的产品,这个产品即可称为「纳米材料」。

纳米技术(Nano-technology):是指「加工过程」,意思是将材料加工成尺寸在100nm以下时所使用的制程技术,我们称为「纳米技术」。

「纳米材料」与「纳米技术」两者之间的关系,有点类似「LED」与「生产LED的设备」之间的关系,LED厂(例如:三安光电与木林森)向LED设备商(例如:易维科VEECO,北方华创或ASM)购买LED芯片或封装设备来生产LED器件,因此,设备商专注在如何设计出性价比高的加工设备,而LED厂家则专注在如何利用设备生产LED,两者在LED产业中均扮演重要的角色。

同样的道理,纳米技术讨论的重点在于如何设计纳米加工设备,而纳米材料讨论的重点在于如何利用纳米加工设备来生产纳米材料,两者在纳米科技产业中均扮演重要的角色。

种类:纳米材料由外观几何结构分为二维、一维、零维

传统一般尺寸的材料我们称为「块材(Bulk)」,其结构是在三维空间中的X轴、Y轴、Z轴都可以无限延伸,如图一(a)所示,而纳米材料可以简单地由外观的几何结构分为二维、一维、零维等三种:

二维(Two-dimensional): X轴与Y轴可以无限延伸,但是Z轴非常微小(小于100nm),如图一(b)所示,二维的纳米结构称为「纳米薄膜(Nano thin film)」或「量子井(Quantum well)」。

一维(One-dimensional): X轴可以无限延伸,但是Y轴与Z轴都非常微小(小于100nm),如图一(c)所示,一维的纳米结构较长的称为「纳米线(Nanowires)」,较短的称为「纳米棒(Nanorods)」,空心的称为「纳米管(Nanotube)」。

零维(Zero-dimensional):X轴、Y轴与Z轴都非常微小(小于100nm),如图一(d)所示,零维的纳米结构称为「纳米粒子(Nanoparticles)」或「量子点(Quantum dots)」。

图一 纳米材料的几何结构

光电特性:LED、激光LD发光层与量子点技术

一、LED/LD发光层与量子点显示技术的核心原理: 量子局限效应

材料的物理性质大部分是由电子与空穴所决定,例如「Debye德拜长度」用来描述材料中电子与电子之间作用力的长度、「de Broglie德布罗意波长」用来定义材料的粒子性质与波动性质,由于传统三维空间的块材(bulk)尺寸远大于上述这些电子与空穴的物理特征长度, 因此其物理性质可以使用古典物理学来解释,但是当材料的尺寸小到100nm以下时,会与德拜长度及德布罗意波长很接近,因此会产生「量子局限效应(Quantum confinement effect)」。

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