纳米尺度下的神奇应用：LED、激光LD与量子点

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）」。

关于量子局限效应，相信很多学过大学物理的朋友应该不会陌生，我写文章不喜欢放入一大串公式，尤其是艰涩难懂的薛定谔方程式，我曾经整理了一篇PPT关于量子物理的教材，发现用这个教材让同学理解量子物理的难度都非常大，何况要用文字帮没学过大学物理的同学讲授这块难啃的量子骨头，现在我就试着用图与文字来解释一下这个效应：

在微观世界里，尤其是在纳米尺度之下，所有的光与电的现象，都会与我们看到的大尺度世界那么的不同，如图二（a）所示（公式看不懂可以跳过去），根据薛定谔方程式波函数的解，在量子尺度（L）下，尺度的不同，电子与空穴所处的能量状态△E也会不同，也许它会在能级Eo的位置，也许会在4Eo的位置，也许在9Eo或16Eo…．．，因为物理尺寸的不同，材料中电子的能级也会相应的变化，所呈现的材料特性就会与原本的材料本性差异极大，如图二（b）所示，此时发光的能量或频率就不再是材料本身的能带隙性质Eg，而是带隙较宽的（Eg＋△Ec＋△Ev），能量变强发光波长因此会变短，这样因为电子与空穴被局限在纳米材料内形成自组的稳定态，造成光电性质的改变，这样的效应我们称为量子局限效应。