陳學仕／國立清華大學材料科學工程學系暨半導體學院合聘教授，量子點與綠色材料實驗室主持人。

2023 年「諾貝爾化學獎」得主

 

量子點（quantum dot）材料的相關研究開始於 1980 年代末期，2023 年諾貝爾化學獎得主⸺巴汶帝（Moungi Bawendi）、布魯斯（Louis Brus）、艾吉莫夫（Alexei Ekimov）在 1990 年代發表了數篇有關量子點的合成技術與材料性質探討的研究論文，更引領了後續的研究熱潮。不過究竟什麼是量子點？它又有什麼用？

 

具有量子效應的奈米晶體——量子點

一般人熟知的奈米材料尺寸小於 100 奈米（nm），而量子點就是最典型的奈米半導體材料之一。量子點的材料尺寸約介於 1～10nm 之間，大約是數百至數千顆原子，因此同時具備微觀原子與巨觀材料的性質，且材料性質也可以由尺寸來調控。換句話說，科學家可以藉由控制晶體尺寸來控制材料的性質，也能創造出新的材料。

在早期，量子點常被稱為「奈米晶」，意思是奈米尺寸的晶體。萬物是由大量的原子組成，而量子點晶體材料的尺寸很小，且原子數量也較少、接近於原子尺寸，因此才會具備類似原子的「量子」特性，而量子點也被稱為人造原子。另外，因為量子點尺寸極小，在早期的電子顯微鏡觀察下如同一顆顆的點狀物，無法歸類在一般材料（三維）、薄膜材料（二維，如矽晶 IC 薄膜材料）與奈米線材料（一維，如奈米碳管）中，被視為零維材料。所以自 1990 年代後期開始，開始被稱為「quantum dot」或簡稱為「QD」。

簡而言之，量子點就是一個具有量子效應的奈米晶體，更精確地說，量子效應指的是「量子侷限效應」（quantum confinement effect，或稱量子尺寸效應）。也就是當材料的尺寸縮減到數奈米且接近原子尺寸時，內部的電子或電洞由於運動範圍被侷限而無法自由移動，因此產生的特別行為，而它們的光電性質也跟著改變，這類具有量子侷限效應的奈米晶體便被稱作量子點。如同現實生活中，當人被關入一個狹小的幽閉空間中，個性、行為也會被改變，而不同的空間大小所造成的侷限感也不同，不同的人也有不同感受⸺就如同不同材料內的電子受到的侷限效應也不同。

從廣義上來說，只要材料可以縮小到數奈米，就會有一定程度的量子或奈米效應。比表面積（specific surface area, SSA）的定義為單位質量的總表面積（平方公尺／公克，m2/g），在尺寸為數奈米的晶體中比表面積會很大，使得與晶體表面相關的材料性質，例如催化反應、表面電漿子反應、材料界面反應等，也會與傳統材料有所差異。不過也有些材料在縮小尺寸後的差異程度較小，比較不像是創造了一個新的材料。

因此，若從較嚴謹的原始意義來看，並非所有很小的奈米材料都稱為量子點，通常是材料內電子受到限制後而使性質被改變的才屬於此範疇。但有時量子效應的出現比較難被定義，當一般材料出現迥異於傳統材料特性的效應且差異達到約 20％ 以上時，我們就可以認為它受到某些量子效應的影響，使得性質被改變，就像是創造了一種新的材料。

 

▲圖一。圖片來源／清大量子點實驗室，圖片提供／《科學月刊》

 

奈米技術不一定是量子點技術！

從上述定義來看，奈米技術並不一定是量子點技術。例如台灣積體電路製造公司（台積電）目前最先進的量產製造技術為 3nm，意思是只在一片薄膜中的某個區域，利用類似傳統照相底片曝光顯影的方式，製造出一個 3nm 長度或厚度的導線或薄膜線路，讓電子訊號傳輸更快、發熱量更低。此概念如同我們使用的有線寬頻網路，當電纜線愈短、離網路機房愈近，則網路速度愈快且耗能也愈少。因此嚴格講起來，晶圓代工中的導線尺寸縮減，僅是利用製造技術讓線的寬度變得更窄，使電子傳導距離更短、訊號更快，並沒有利用到量子效應，因此不被歸類在量子點中。

那具有量子侷限效應的材料究竟有什麼特別的應用？大家都學過，純物質的熔、沸點固定，假設某個純物質的沸點是 100℃，則它應該就是水。因此若能將水變成一個數奈米的晶體，就可以讓「水量子點」的物理性質改變，例如熔、沸點的降低或提升；若可以控制水量子點的晶體尺寸，就有機會讓「水」出現不同的特性。不過要注意的是，如果溫度升高變成液態水，水分子就會聚成一團，自然也就不是量子點了。

而在半導體產業中最重要的材料「矽」（silicon, Si），屬於間接能隙（indirect band gaps）的材料，由於它的電子與電洞無法直接結合、產生光子，因此是一種不發光的半導體。但若把矽做成一個數奈米的量子點，就會變成可以發光的直接能隙（direct band gaps），我們也就創造了一個新的材料。另外，若是本身就會發光的半導體，如無機化合物硒化鎘，原先的主要發光波長約在 712nm，屬於不可見的近紅外光，但將硒化鎘製備成數奈米的晶體後，便能使硒化鎘發出可見光。利用控制晶體尺寸改變了材料可見光波長，使它發出波長在 450～650nm 的可見光，相當於創造各種新的半導體發光材料。在這種情況下，透過精確的尺寸控制和特定的合成方法，量子點就能用來開發具有特定光學和電子特性的材料，這些特性可在能量轉換和儲存領域產生創新應用，對於顯示器、太陽能電池、生物影像、光電探測器等領域具有重要意義。

 

▲圖二。圖片來源／清大量子點實驗室，圖片提供／《科學月刊》

 

量子點技術的發展

嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）令大眾對顯示器有更高的要求，量子點也正式進入了我們的生活。目前已經可以在市面上買到的「量子點電視」或「量子電視」能顯示更細緻的畫面與色彩，這便是利用了晶體成長與尺寸控制技術，讓量子點材料具備更純的紅光與綠光，並放入顯示器中提高色彩解析度。不過，這其實僅是量子點材料特性最末端的應用之一。量子點在目前的顯示器中已經走入實際應用階段，成為顯示器的標準配備技術，至少在未來 20 年都可以見到量子點存在我們的生活之中。而將量子點材料應用於顯示器產品中具有兩個象徵意義，首先是經過顯示器產品的多年驗證，量子點已經商品化成為真實應用的奈米材料，正式走入了人類的生活；其次則是商品化的量子點材料將帶來更多的基礎與應用研究，預期會有更多新的研究技術與應用產品出現。

如前所述，量子點可視為一種新型半導體材料，能透過材料成長技術控制並改善傳統半導體的效能，因此目前主要著重於新一代顯示產品的應用與性能提升。目前臺灣正在發展中的產業也與量子點極為相關，例如最近的新一代顯示與光源技⸺MicroLED 與 MiniLED，正是利用量子點材料作為光轉換材料。由於藍色晶片是目前成本最低、效率最高的成熟產品，若是能利用量子點材料轉換藍色 LED 成為綠色、紅色光，產品中就只需要用到藍光晶片。此做法不僅可以減少巨量轉移三個顏色晶片的複雜度，高純度的量子點光源也增加了顯示器的綠色、紅色顯色能力，同時解決了目前紅色晶片效能不足的問題，且整體原料成本也大幅降低，可加速 MiniLED 與 MicroLED 商品化時程。

 

▲圖三。圖片來源／清大量子點實驗室，圖片提供／《科學月刊》

 

除了顯示器應用外，量子點在各領域的研究發展也受到許多關注，例如太陽能電池、環境與生物感測、自駕車與醫療影像感測、國防軍事工業、精緻農業等研究，也正在火熱的發展中。例如 Apple 公司就投入許多資源研發量子點光感測與影像感測技術，新一代的量子點光感測器除了具備遠超過目前感測器的感測能力與波長範圍，還可進一步衍生到短、中紅外光感測範圍，能應用在自駕車、醫療感測、安全辨識與國防軍事用途等產品中。

在生物與環境部分，已經有多項研究論文報導量子點可作為環境毒物的偵測器，或作為癌症細胞螢光標定的載體。前者具有高效的毒性物質感測能力，後者則可帶來更清楚的生物細胞影像。在綠能部分，量子點太陽能電池與儲能研究正在進行，以量子點為吸收光主體的太陽能電池與儲能技術可使單位發電成本更低並具備多重功能，例如將量子點製備為發光、顯示、儲能發電的整合產品。因此本次諾貝爾化學獎頒給三位量子點研究學者，更肯定了此領域目前與未來發展的重要性皆相當值得關注。

 

▲圖四。圖片來源／清大量子點實驗室，圖片提供／《科學月刊》

 

國內外的量子點研究

量子點的相關研究在 2000 年初達到頂峰，在那個網路才剛盛行，研究論文仍需去圖書館影印的年代，這個研究熱潮持續了相當多年，幾位主要的美國研究學者也創立數家不同的量子點新創公司，更曾經來到臺灣進行技術交流。

臺灣在量子點研究的投入甚早，在學術界、研究單位與產業界皆有相關研究進行，且具有多篇開創性的論文，例如量子點材料合成技術、顯示器背光與薄膜技術。實際上，臺灣在量子點顯示器方面屬於先驅者之一。早在 2002 年，工業技術研究院（簡稱工研院）就開展了相關的研究專案，2003 年也有國內 LED 公司加入。然而，儘管有幾個大學實驗室在同時期投入了此領域，工研院在當年的奈米國家型計劃中也執行了量子點材料製造與應用的研究專案，但量子點研究到了 2005 年後的新穎性降低，整體研究熱潮開始消退。2010 年後，科學研究的焦點轉向其他新興領域，相關的研究經費也逐漸減少。

此趨勢一直持續到 2015 年左右，韓國三星電子（Samsung）宣布將應用量子點技術於顯示器產品中才引發了人們對此技術的重新關注。然而，這一波興趣主要集中在中國和韓國的產業界，臺灣的產業界對於相關研發的投入顯得相對緩慢。在三星探索量子點商機並準備大力發展這項技術的時期，臺灣的學術界實際上仍具有堅實的研究基礎和技術能力，過去持續累積的科研成果與實力具有相當的優勢與潛力。

本次諾貝爾獎頒給量子點研究學者，一方面再次映證科學研究須產業化的趨勢，另一方面也說明一個科學研究從扎根到最後的產業應用需要長期且持續的投入，並可以讓國內產、官、學、研界省思。臺灣各項資源有限，應更加關注與產業相關的基礎與應用科學研究，根據目前與未來產業特性，持續推動大學基礎科學與產業化研究的深根。

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2023 年 12 月