【記者鄒志中報導】 臺灣奈米研究首創新應用 ! 臺灣國立臺東大學應用科學系黃俊元副教授與遠東科技大學，日前合作使用膠體量子點硫化鎘/硫化鋅，成功製作出電激發式藍光發光二極體，為臺灣國內奈米研究首次創舉，其研究成果為國立臺東大學新榮耀，將對臺灣光電產業發展助益極大。
據了解，發光二極體為現今之照明技術主流，其技術之成熟已成功取代傳統之白熾燈及省電燈泡，與無機發光二極體同時蓬勃發展，以有機發光材料為主之有機發光二極體顯示器也正逐漸取代現有LCD顯示器。
無機材料之優點在於其材料可靠度，而有機發光材料則以其主動發光方式、製作成本低廉和高色彩飽和度成為次世代顯示器主流，然而以新穎化學合成方式合成之膠體量子點，其無機材料天性和低成本合成方式同時具有無機和有機材料之優點，因此目前世界上關於量子點之光激光和電激光相關技術研究正方興未艾。
臺灣國立臺東大學黃俊元副教授與遠東科技大學跨校合作，由遠東科技大學材料系負責量子點之合成，黃俊元副教授則專攻元件結構及製程之改良，在元件的製作上，因為製備完成之量子點為溶液狀態，用於電激發光元件製程之方式與熟知之高分子有機材料相同，包含旋轉塗佈、浸潤塗佈、壓印、和噴墨塗佈等，因此可以大幅降低LCD製作成本，而量子點為“人造原子”，其直徑在2~10奈米（約10-50原子）的範圍內，其量子侷限效應而造成量子點粒徑不同，發光波長就會不同，所以僅僅使用不同粒徑之單一材料即可獲得紅、綠、藍之發光體，而藍光量子點做為電激發光元件之發光主體，操作時電荷注入位能障礙較大，因此製作困難，本次國立臺東大學之研究之重大突破，對於臺灣光電產業之發展將有極大助益。
所謂的「量子點」（英語：Quantum Dot）是在把激子在三個空間方向上束縛住的半導體奈米結構。這種約束可以歸結於靜電勢（由外部的電極，摻雜，應變，雜質產生），兩種不同半導體材料的界面（例如：在自組量子點中），半導體的表面（例如：半導體奈米晶體），或者以上三者的結合。量子點具有分離的量子化的能譜。所對應的波函數在空間上位於量子點中，但延伸於數個晶格周期中。一個量子點具有少量的（1-100個）整數個的電子、空穴或空穴電子對，即其所帶的電量是元電荷的整數倍。
小的量子點,例如膠體半導體奈米晶,可以小到只有2到10個奈米,這相當於10到50個原子的直徑的尺寸,在一個量子點體積中可以包含100到100,000個這樣的原子.自組裝量子點的典型尺寸在10到50 奈米之間。通過光刻成型的門電極或者刻蝕半導體異質結中的二維電子氣形成的量子點橫向尺寸可以超過100奈米。將10奈米尺寸的三百萬個量子點首尾相接排列起來可以達到人類拇指的寬度。
LED最早起源於1961年，美國德州儀器公司發展以磷化銦鎵（InGaP）材料合成的LED，其放光波長範圍為近紅外線。1962年， 奇異公司發展以磷化鎵砷（GaAsP）為材料的紅色發光二極體，因其轉化效率差且放光波長遠離可見光範圍，因此未被廣泛應用，僅用作指示燈。
1991年，美國HP公司與日本東芝公司研發以磷化鋁鎵銦（AlGaInP）材料之綠色發光二極體，然而，缺少藍光LED，就無法以藍、綠與紅三種顏色的LED 任意組合顏色，尤其是用作照明的白光。
直到1993年，日本日亞化學（Nichia Corporation）的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN）開發具高亮度的藍光發光二極體。相較於傳統的日光燈與白熾燈泡，LED不僅體積小、環保、省電，壽命更長達十萬小時，且因其低耗電的特性，對於電力缺乏的開發中國家，無疑是一大福音，現今環保意識與節能觀念逐漸提升，發光二極體已躍升為二十一世紀照明與顯示器之新光源。
2014年的諾貝爾物理獎揭曉，頒給發展藍光LED的三位教授，分別為任教於名城大學的赤崎勇教授、名古屋大學的天野浩教授，以及美國加州大學的中村修二教授。
赤崎勇教授出生於日本鹿兒島縣，於名古屋大學取得工學博士，曾服務於松下電器與名古屋大學，現為名城大學終身教授。1986年與天野浩教授成功以「低溫沉積緩衝層技術」合成高品質的氮化鎵晶體，並於1989年以氮化鎵的pn 結構完成了藍色發光二極體。其學生天野浩教授，出生於日本靜岡縣。在1982年，仍為大學生的天野浩便加入赤崎勇教授的研究室，主要研究III族的氮化。1986年，赤崎勇與天野浩首次成功於藍寶石基板上合成高質量的氮化鎵晶體，並於1980年代末期，成功合成 p 型氮化鎵半導體。
中村修二教授出生於日本愛媛縣，1979年取得德島大學工學碩士，日後任職於日亞化學，1987年赴美國佛羅里達大學進修一年，1988年回國後致力於開發藍色LED。
然而，當時沒人看好他的研究，尤其他選用氮化鎵為材料，當時氮化鎵並不受重視，並被大家視為一項不可能成功長出 p 型半導體的材料。反而，多數科學家致力於硒化鋅（ZnSe）材料的研究，因此研究過程相當艱辛。
兩年後，中村成功於低溫下合成氮化鎵薄層。幾年後，中村於製程上得到了相當大的突破，成功發展含銦的氮化鎵，1993年，世界第一顆高亮度藍色LED成功的商品化，因此他又被稱之為「藍光之父」。1999年，中村完成了藍紫半導體雷射，也完成了在日亞化學的所有任務，此期間因專利問題與日亞化學產生眾多訴訟，失望之餘便離開日本。2000年後於美國加州大學聖塔芭芭拉分校擔任教授一職。
這三位偉大的科學家，不僅對於自己的研究具有相當的執著，更勇於背負極大風險，選擇了常人認為不可能成功的氮化鎵材料，即使資源匱乏，必須自己架設儀器，他們仍然不因此而放棄，歷經數以千次實驗的失敗，依然堅持自己的信念，最後才得以成功發展藍光LED，也因此得到了2014年的諾貝爾物理獎。
然而，許多人會問，為何諾貝爾獎特別頒給「藍光」LED的發明者呢？早期由於紅色發光二極體波長的限制，多只能用作交通號誌的警示燈，或LED看板的顯示，用途受限，且無法用於照明設備。然而，當藍光LED被發明後，科學家便可以利用紅、綠與藍三種顏色的LED自由調配所需的顏色。
為了將LED運用於照明裝置，可使用紅、綠與藍三種顏色的LED組成白光，雖然可以解決過去無法產生白光的問題，但此裝置也有許多缺點，不僅成本過高，且三種LED的壽命不同，如果其一損壞，就必須汰換此裝置。因此，世界各國的科學家也積極尋找解決方法，而此問題的答案為——螢光粉。
作為發光二極體基礎材料的無機粉體稱為螢光粉（phosphor），此材料具有高光能轉換效率與高色彩飽和度，合成與加工步驟簡易，主要可分為主體晶格（host）與活化劑（activator）兩個部分，主體晶格為螢光粉體的主要晶體結構，並提供活化劑的配位環境，其將影響活化劑放光特性。活化劑則為摻雜在主體之離子，為主要發光中心，通常為稀土元素。而最著名的螢光粉莫過於1996年，日亞化學揭示的鈰摻雜釔鋁石榴石（Cerium-doped yttrium aluminum garnet; YAG:Ce） 螢光粉化學式為Y3Al5O12:Ce3+（圖二），此螢光粉可被藍光LED激發（波長為460奈米）。
受到藍光LED晶片照射後，鈰原子基態的 4f 軌域電子吸收能量躍遷至較高能量的激發態 5d 軌域，於 5d 軌域中產生熱振動緩解至 5d 軌域最低振動能階，此過程中能量以熱能形式散失，最後 5d 軌域最低能階的電子緩解回到基態 4f 軌域，並以光能的形式將能量釋放（圖三）。而YAG所放出的黃光，經適當調控螢光粉添加量，可得到由藍光LED晶片所放出的藍光，加上YAG黃色螢光粉所放出的黃光，即可形成白光。此裝置不僅成本低，更可避免使用三種不同顏色LED所面臨各自壽命不同的問題。
藍光LED的發明，搭配黃色螢光粉即可產生白光，可以解決照明的問題。然而，此裝置有一個致命的缺點——即當照明時無法顯示出物體真正的顏色。其中最大的原因是此裝置缺少紅色區域的光譜，為了改善此缺點，科學家便發展了紅色螢光粉，目前放光特性良好的紅光螢光粉主要氮化物或氮氧化物材料，其中最著名的紅色螢光粉為CaAlSiN3:Eu2+。未添加紅色螢光粉的發光裝置， 色溫較高（correlated color temperature, CCT > 6000 K），屬於冷白光；而添加紅色螢光粉的發光裝置，色溫較低（CCT < 3300 K），屬於暖白光。
根據預測，2016年時，全球LED產值將來到110億美金，其中又以照明為最大宗，根據統計，若臺灣四分之一的白熾燈泡與傳統日光燈替換為白光LED，則每年可省下約110億度之電力，相當於核電廠一年的發電量，因此，日後會趨向以白光LED作為照明的主要光源，如何提升LED亮度與降低成本勢必成為一大課題。
另外，現代手機、平板電腦與大型LED電視的普及，也使LED用於背光面板更加興盛。因為藍光LED的發明，使得今日的世界可以運用電腦控制，使LED發出數百萬種顏色的光，因此，大至路上隨處可見的大型LED看板、紅綠燈，到小至螢幕的背光系統，都有LED的身影。另外，利用電腦控制LED放光的強度與顏色來模擬日照，現代常用來進行溫室植栽，因此常可以在同一時間看到不同季節的花卉。
而赤崎勇、天野浩和中村修二教授不僅發展了藍光LED，也發展出藍光雷射，使資料儲存領域有重大突破，因藍光雷射的波長較紅外線短，可於相同的資料儲存面積儲存更多資料。白光LED的出現，於人類的歷史有著無可比擬的重要性，白熾燈泡照亮了19世紀，螢光燈管照亮了20世紀，而21世紀則將是LED大放光明的新時代。
