重大突破 清大研發環保巨型量子點

國立清華大學成功實現量子點技術的重大突破，由材料科學與工程學系教授陳學仕領導的研究團隊，開發出環保的巨型磷化銦（InP）量子點，不同於目前含有毒金屬的量子點材料，巨型磷化銦量子點具備卓越的發光效率和環境穩定性，為下一代顯示技術與光電設備提供了一個高效能且可持續的解決方案。

量子點因其精確控制的發光特性，被廣泛應用於顯示器、自駕車感測器及生物醫學等領域。然而，目前主流的硒化鎘（CdSe/ZnS）量子點雖然性能優異，但因鎘的毒性對環境和健康構成潛在威脅。

根據歐盟的《限制有害物質指令》（RoHS）規定，電子產品中的鎘含量不得超過100 ppm，但由於缺乏可替代的高效能材料，含鎘量子點暫時獲得豁免。然而，隨著永續發展的推進，這一豁免可能在未來被取消。

此外，全無機鉛鈣鈦礦量子點（如CsPbX₃，X = Cl, Br, I）儘管具有更高的光學性能，但其鉛含量帶來的毒性問題，尤其是對幼兒神經發育的影響，也受到歐盟產品應用上的限制。這些挑戰使得開發非鎘、非鉛的環保量子點成為目前量子點研究的核心方向。

不同尺寸的巨型磷化銦量子點，控制核心尺寸可發射不同螢光波長。（清華大學提供）

磷化銦量子點仍面臨多重挑戰

陳學仕表示，磷化銦（InP）量子點因其低毒性和環保特性，被視為替代含鎘量子點的熱門候選材料。但InP量子點在應用過程中仍面臨多重挑戰，首先，InP量子點的表面容易形成缺陷態，這些缺陷會導致光電性質下降，如發光效率降低、顏色純度減少且材料穩定性也會受到影響。

他表示，其次，雖然殼層（如ZnS）可以有效保護量子點核心免受氧化和水氣侵蝕，但殼層過厚會增加內部應力，使量子點晶體更容易產生缺陷，而降低量子點的發光性能。如何在保持高效能的同時增強穩定性，成為磷化銦量子點研究的關鍵課題。

巨型磷化銦量子點的技術突破

清華大學團隊的研究，成功開發出直徑達21奈米的巨型磷化銦量子點，包含3奈米的核心與18奈米的殼層設計。團隊透過精密的材料設計與控制材料在量子點核心上的成長，調整殼層形貌，有效解決核－殼界面之間壓力或應力問題，實現了更厚殼層的穩定結構，同時維持高光學性能。

陳學仕表示，這些技術創新使得巨型磷化銦量子點具備卓越的發光效率和環境穩定性。儘管殼層厚度顯著增加，該量子點仍能保持超過90%的高發光效率，克服了過去殼層過厚導致效率下降的技術難題。此外，壓力釋放的厚殼層，顯著增強了材料對氧氣和水氣的抵抗力，延長了其使用壽命，這為該技術的實際應用提供了有力支持。

巨型磷化銦量子點之合成產物。量子點直徑達21奈米，於藍光激發下，發光量子產率達90%以上。（清華大學提供）

清華大學研究團隊過去已成功量產10奈米的低鎘合金量子點，並推動其在量子點電視QLEDTV、MiniLED與MicroLED顯示器中的應用。此次巨型InP量子點的研究，展示了替代含鎘材料的潛力，為未來量子點技術提供了一條環保且具商業價值的發展路徑。

陳學仕說，巨型磷化銦量子點的誕生，標誌著量子點技術向環境友善方向的一大進展。隨著技術成熟和大規模生產能力的提升，這種材料有望應用於顯示器、生物醫學與光電設備等多個領域，未來研究將重點放在降低製造成本、提升量子點性能，以及進一步優化結構設計。

陳學仕表示，清華大學團隊的研究成果不僅展示了環保材料的可行性，更為全球光電技術的可持續發展提供了新的方向。巨型磷化銦量子點的成功，代表了高效能與環保設計的完美結合，為未來科技創新注入了新的可能性。◇