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量子點以及其應用

2023年諾貝爾化學獎的3位得主:Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus以及Alexei I. Ekimov。

2023年諾貝爾化學獎,頒授予Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus以及Alexei I. Ekimov,表彰他們在1980年代發現和合成量子點(for the discovery and synthesis of quantum dots)。 
 
大概念來說,量子點是人工製造的「原子」(artificial atom)。 
 
20世紀迄今,人類文明發展大幅度的依賴於電磁學,包括它所涵蓋的電荷、磁、自旋、電磁波等諸種現象。對於用於承載、操控這些現象的物質,我們對其瞭解的基礎知識是量子力學以及電磁學。

人類對於這些性質的應用,大都是順從自然的安排。譬如矽的帶隙能量(energy gap)為1.12 eV,積體電路的柵極電壓就設為比這數值稍高,用以開關電晶體。又譬如DUV雷射光源的氟化氬(ArF;Argon Fluoride)分子的能階間隙是6.42 eV,所以ArF DUV曝光機對應的波長就是193奈米。

換句話說,人類雖然開始掌握關於物質的部分知識,但是對於這些知識的應用,人類過去大致上是聽從自然的安排,至少在那些物質的特性參數是如此的。
 
如果我們想「設計」物質的基礎特性呢?譬如它的光、電荷、自旋等性質時呢?

我們用以建構的基礎單元—也就是類似樂高的積木塊—仍舊是自然的原子及其形成的分子,只不過這次要使用基礎單元數目要多得多,1個量子點可能要使用100~10,000個原分子來建構,這樣製造出來的量子點大小直徑在數奈米至100奈米之間。我們的付出的代價是較複雜的製作程序,以及較為龐大的單元尺寸;收益是可控、可設計的量子點的光、電、自旋等特性。這些特性可以藉由量子點的大小、組成材料、形狀等來調整其內部能階,而能階正是物質的量子特性之一,是以名之。 可以設計出人工原子,自然也可以設計出人工分子、乃至於超晶格(superlattice)等更大尺度的結構。
 
量子點的製作材料過去以II-IV族、III-V族為主,譬如硫化鉛(PbS)、硒化鉛(SePb)、硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)、碲化鎘(CdTe)、砷化銦(InAs)、磷化銦(InP)等。 
 
但是II-IV族量子點多含重金屬,譬如鎘與鉛,對環境相當不友善,所以顯示器中的量子點目前正轉向III-V族的量子點,譬如磷化銦(InP)、硫化銅銦(CuInS)等。而III-V族量子點如當成生物中的體內(in vivo)當感測器或成像使用,可能有毒性或致癌,因此目前正尋找其他材質如矽、碳等,或者加以表面修飾(surface modification)以製作安全的量子點。 
 
量子點的應用非常廣泛,包括顯示器、單電子電晶體(SET;Single Electron Transistor)、太陽能電池(solar cell)、LED、雷射、單光子光源(single-photon sources)、二次諧波生成(second-harmonics generation)、量子點量子位元(quantum dot qubits)、生醫研究裡的感測器及成像(imaging)等。 
 
量子點顯示器已經商業量產,製造方法與LCD差不多,只不過LCD中用來當背光(backlit)白光LED改為藍光的量子點。製作流程先是在基板上以有機金屬化學氣相沈積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;MOCVD)製作藍光量子點,於這層之上製造並排的綠光量子點及紅光量子點當彩色濾光片,另外留一處空缺透藍光,形成RGB三原色畫素。 
 
量子點顯示器有深黑色(deep blacks)、最佳視角(optimal viewing angle)、原始色彩(pristine colors),較省電、高色彩飽和度(saturation)、較寬色域(wider color gamut),壽命亦較長。目前市場上的競爭對手是OLED,但是未來解析度再走向8k以後,暫時沒有能涵蓋如此廣泛色域的對手。 
 
量子點的2個前瞻性應用,分別是生物醫療研究與量子計算。 
 
量子點於生物中可以用於成像、標記(label)、運送(delivery)、感測等功能。量子點具有明亮且穩定的螢光,而且可以調整其顏色,還可以附加功能基以鎖定特殊標靶。由於其尺寸僅數奈米,不僅微米級的動物細胞可以輕易解析,連尺度與其相當的蛋白質也可以用量子點來標記研究。 
 
一個有趣的應用領域是用來研究腦細胞及功能,這個研究領域又終將回饋到人工智慧(AI)、類神經晶片(neuromorphic chips)、腦機介面等競爭激烈的尖端科技新領域。 
 
只是如前所述,量子點於體內毒性的問題需要先澄清並克服。 
 
量子點量子位元是被寄予厚望的量子計算技術,因為它不只是半導體相容的技術—它本身就是半導體技術。如果原型開發成功,它可以立即利用目前成熟的半導體生產體系快速投入量產。 
 
目前的量子點量子位元是自旋量子元(spin qubit),即量子點中約束1個電子,而且這個電子的自旋的狀態可以被操控、測量,當成量子位元使用。 
 
量子點量子位元的技術發展面臨的主要挑戰,是量子點量子位元之間不易形成量子糾纏,目前可以相互糾纏的量子點量子位元數一隻手數得完。不容易被環境干擾的量子位元,也意味著不容易與周遭的量子位元形成量子糾纏。這是典型的工程問題—權衡兩難以最佳化。
 
量子點此次獲得諾貝爾化學獎實至而名歸。它發現人工原子,使得人類擁有更進一步操控微觀世界的能力,它對文明及經濟的貢獻已經開展在照明及顯示器上,而它又可以成為促成其他領域新發現的工具,這些都是典型得獎作品的印記。 

 

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。