2-1 奈米材料 2-1-1 定義
奈米材料的定義即物質尺寸在100 奈米以下的材料，而三維空間中只要有其 中一維處於奈米尺度範圍或者有該尺度的單元為基本結構所構成的物質，我們就 能廣義上稱它為奈米材料。而當物質尺寸處於奈米大小時，在物理性質和化學性 質上都和原先大尺寸時相差甚遠，而因為這項特性，奈米材料開始被科學家們大 力關注，也進而開發各種奈米材料，像是奈米金屬、奈米塑膠、奈米磁性材料、
奈米陶瓷等材料。
這些材料的特殊性質主要源自於奈米化後產生的表面效應、小尺寸效應、量 子穿隧效應和量子侷限效應。
而奈米材料被依照外觀物理特性分為以下三類 [26]
(1) 零維奈米材料 (zero-dimension) :也稱為量子點 (quantum dots)或奈米粒 子(nanoparticles)，即材料三維方向的尺寸皆為奈米尺寸範圍的物質。
(2) 一維奈米材料 (one-dimension) : 意指材料在三維空間中有其中一維可 以無限延伸，而另外二維的尺寸在奈米尺度範圍下，形狀為長條狀，如奈米絲、
奈米柱、奈米管、奈米線等。
(3) 二維奈米材料 (two- dimension) : 是指材料在三維空間中有其中一維屬 於奈米尺寸內，其餘兩維可以無限延伸，形狀似平面，如奈米薄膜。
奈米材料與肉眼可見大小的塊狀材料 (bulk material)之間的物理性質差異在 許多方面都會發生，例如熔點、沸點、擴散能力、光化學性質、導電性、機械性 質、比熱和磁性等。[1]舉例來說，金的熔點一般為 1064 ℃，但當材料尺寸小到 奈米等級時，熔點會降為大約327 ℃ ; 而銀的熔點一般為 961.8 ℃，相同的當銀 的材料尺寸小到奈米時，熔點將低於100 ℃。
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而奈米材料在現今被廣為應用的原因還有很多，除了上述的小尺寸特性以外，
奈米材料同時也具有很高的表面體積比、高密度堆積以及擁有高結構組合彈性。
這些奈米材料特性在許多方面都能產生很大的助益。例如醫學、生物工程、化學 或是光電等相關領域。
2-1-2 材料特性
奈米材料的特性不同於一般塊材，而奈米材料的特殊性能都會跟量子力學扯 上關係，我們可以將這些特性分別仔細描述，分別有小尺寸效應、表面效應、量 子穿隧效應以及量子侷限效應，因此奈米材料有著和普通大尺寸塊材完全不同的 光、電磁、聲、熱、力等性能。以下我們將分別詳細說明這些特性：
(1) 表面效應
處於物質內部的原子或分子在各個方向上都會受到周圍原子或分子的相同 作用力，以保持平衡狀態。但是，物質表面上的原子或分子會只受到物質內部原 子或分子的作用力，因此它的能量高於內部原子或分子，將其稱作做表面能。隨 著顆粒大小減小至納米級，表面上的原子數與粒子中的原子總數的比值迅速增加。
與內部相比，粒子表面上的原子或分子的配位數小，使的化學鍵不飽和，因此表 面能量高，這讓納米粒子非常活躍，因此納米粒子的表面活性遠大於大尺寸塊材 的表面活性。
隨著材料顆粒變小，表面積與體積之比值相對增加，又稱之為比表面積，而 比表面積的增加會使材料的光學性質，熱特性，吸附能力，催化和化學性質，以 及熔點和燒結溫度造成很大的改變。例如，由於納米顆粒具有高比例的表面原子 和大量的表面不完全鍵結，表面不安定的原子很容易跟外來的原子產生連結，也 就是容易吸附，吸附作用變的明顯。因此它增強了材料的催化活性。
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(2) 小尺寸效應
隨著材料尺寸變小，許多材料特性與反應跟著大幅度改變，這使物質的光、
電磁、聲、熱、力等性能跟大尺寸塊材完全不同，而這種因為尺寸縮小而改變特 性的現象我們稱之為「小尺寸效應」。而小尺寸效應的例子還有很多，像是上述 的增強吸附能力，表面活性大幅度提高，還有奈米材料氧化鐵和鐵鈷的合金五羰 基鐵，都具有超強磁性，應用在生活中的例子有磁性鑰匙、磁性車票和有磁性的 信用卡，這些特性也會被用來改善一些電器元件，小尺寸效應在許多領域都佔有 一席之地。
(3) 量子穿隧效應
穿隧效應是囊括於量子力學中的一種特殊性值，大致上來說就是小粒子 (例如：電子)能夠透過波粒二項性其中波的性質穿過原本沒辦法穿過的物體，
我們常用牆來比喻，這項特質的特別在於這打翻了古典力學中闡述的，小粒 子只要能量不夠就沒辦法跳過能障的這個觀念。許多實驗室中的掃描式隧道 顯微鏡正是用這項性值而運行的顯微鏡，而這也正是太陽上核融合反應所仰 賴的機制，量子尺寸效應以及量子穿隧效應為未來的微電子元件發展奠定了 發展的基礎，半導體物理學以及超導體物理學等學術領域也會應用到量子穿 隧效應理論。
(4) 量子侷限效應
量子侷限效應中講到，能階間距離的平均值與材料中所含電子數兩者會成反 比，可寫成(式 2-1)。
δ = 4EF 3N⁄ (式 2-1)
其中EF 為費米能階 (Fermi level，也稱電化學電位，有時用 µ 表示)，δ 為 每層能階間距離的平均值，N 為電子數。[2]
當大尺寸金屬塊狀材料中的電子數 N 趨近無窮大，能階間距 δ 趨近於 0，
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我們就可以說塊狀材料有趨近無限大的能階密度 (density of states，DOS)，原本 一層一層的能階會連起來看起來像是一整片連起來的平面，這時我們可以大致上 將能階視為連續的；但在奈米材料來看就不一樣了，奈米材料中的電子數很小，
導致經過式子計算過後的平均能階距離 δ 變得很大，所以能階會從原本是一整 片連續的分開變成明顯一階一階的，其中也包括費米能階 (Fermi level)，而隨著 奈米材料尺寸不同能階間隙大小就會隨之改變的這種效應，就是能階的量子化。
量子點屬於一種奈米材料，而上面有講到奈米材料的定義為尺寸在個位數到 十位數奈米，在這種極端為小的尺寸材料中，電子和電洞在裡面相遇的機率相對 的高上非常多，這項特性導致發光效率變高。而同時這種大小的量子點的能態間 隙密度也遠小於大尺寸塊材，每層能階較為分開，因此在塊材與原子間，量子點 具有偏類似於原子的不連續能階，放光的光譜也是不連續的。而能態間隙密度的 大小更可以隨著量子點尺寸大小做調整，也就是說我們可以透過控制量子點材料 的尺寸大小，而得到想要的放光波長。 總的來說
而前面有介紹到，奈米粒子有三種型態，奈米材料在三維座標數值都在奈米 範圍下的零維結構狀況下就稱為量子點；而若奈米材料在一維結構狀態下為長條 狀的就變成像是奈米線或奈米管，在三維空間中有其中一維可以無限延伸，只有 其中二維的尺寸在奈米尺度範圍；在二維狀況下的奈米材料會像是層狀結構，例 如像量子井 (Quantum well)，尺寸只有在三維度其中一維下受限；而奈米材料的 三維結構狀態即為上述的大尺寸塊材。
正如上述的，奈米粒子有幾種不同的形態，而每種不同的形態都會讓其量子 侷限效應產生些微的改變，能量以及能階狀態密度 (density of state)對應晶體結 構不同維度的材料會呈現函數關係的變化。
用量子點來看，量子點為零維結構，電子在三個維度都受到奈米尺寸限制，
則電子將會在三個維度下都呈現波的特性，此時量子點的能階間隙與粒子徑長的
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平方成反比，我們將其寫成(式 2-2)。
ΔΕ ∝ 1 𝑎⁄ 2 (式 2-2)
ΔΕ 代表能帶間隙、a 為粒子尺寸徑長，則我們可以得知隨著量子點尺寸愈 小能帶間隙會愈大，激發波長會愈小顏色愈藍，因此光譜會藍移。
2-2 電致磷光發光
電子和電洞在有機材料中形成激子複合放光，會因為自旋對稱方式不同，而 有兩種呈現激發態形式。當自旋非對稱 (anti-symmetry)時，激態載子會形成單重 激發，而當自旋對稱 (spin-symmetry)，載子則用三重態的型態激發。單重態激發 以螢光的方式放光，而三重態激發態的載子則以磷光放光的方式釋放能量回到基 態。當三重態激子的自旋對稱時，電子對之間相互排斥作用小，則釋放的能量也 相對的少，反觀自旋不對稱時的單重態激子釋放的能量會大一些。而又因為激子 待在單重態時要回到基態，在量子力學的領域來說是被允許且合理發生的，所以 激子維持待在單重態的時間僅僅約10 ns，因此分子以螢光釋放能量是很常見的。
激子待在三重態上呈現自旋對稱的狀態，可知在掉回基態後也還會是對稱狀態，
而包利不相容原理 (Pauli Exclusion Principle) 闡述在同一能階上的電子對，兩者 方向必須相反，則三重態正好違反，所以回到基態會比單重態更加困難，而待在 基發態的時間較長，可達到單重態的 106倍，以 ms 作單位。在三重態激子放光 的過程中，分子鍵間容易旋轉或相互碰撞，使能量轉換為熱耗能，以非放光的形 式釋放能量，因此常溫下才不容易看見磷光。
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2-3 發光二極體
有機發光二極體主要是由陽極(Cathode)、電洞注入層（hole injection layer , HIL）、發光層(emission layer, EL)、電子注入層(electron injection layer , EIL)，陰 極組成，而在注入層和發光層之間會加入電子電洞傳輸層 ( electron transporting layer, ETL ; hole transporting layer, HTL)作為輔助。這裡將對每一層的作用和原理 分別做解釋。
圖2-1 發光二極體元件結構圖
首先，電極中的陽極一般都使用導電的透明薄膜，像是本實驗使用的 ITO (Indium tin oxide，銦錫氧化物) 以及二氧化錫 (SnO2)都有人使用，而因為 ITO 具有高透明以及高導電的特性，目前被廣泛使用於發光二極體元件的製作。然而 ITO 中的銦 (Indium)元素在地殼成份中僅佔 0.21 ppm，資源短缺導致其價格昂 貴，而且銦元素在接觸血液時具毒性，因此已經有部分研究單位開始著手尋求另
首先，電極中的陽極一般都使用導電的透明薄膜，像是本實驗使用的 ITO (Indium tin oxide，銦錫氧化物) 以及二氧化錫 (SnO2)都有人使用，而因為 ITO 具有高透明以及高導電的特性，目前被廣泛使用於發光二極體元件的製作。然而 ITO 中的銦 (Indium)元素在地殼成份中僅佔 0.21 ppm，資源短缺導致其價格昂 貴，而且銦元素在接觸血液時具毒性，因此已經有部分研究單位開始著手尋求另