JPH04281433A - 超微粒子分散薄膜 - Google Patents
超微粒子分散薄膜Info
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- JPH04281433A JPH04281433A JP6906491A JP6906491A JPH04281433A JP H04281433 A JPH04281433 A JP H04281433A JP 6906491 A JP6906491 A JP 6906491A JP 6906491 A JP6906491 A JP 6906491A JP H04281433 A JPH04281433 A JP H04281433A
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- film
- optical
- columnar structure
- semiconductor
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は超微粒子分散薄膜に関し
、詳しくは、三次元の閉込み効果によって電子や励起子
が0次元的振舞いを示す所謂“量子サイズ効果”によっ
て非線形光学材料として有用な、超微粒子を透明マトリ
ックス中に分散させた薄膜に関する。そして、この超微
粒子分散薄膜は光双安定素子、光ゲート光スイッチ、波
長変換素子等への利用が可能である。
、詳しくは、三次元の閉込み効果によって電子や励起子
が0次元的振舞いを示す所謂“量子サイズ効果”によっ
て非線形光学材料として有用な、超微粒子を透明マトリ
ックス中に分散させた薄膜に関する。そして、この超微
粒子分散薄膜は光双安定素子、光ゲート光スイッチ、波
長変換素子等への利用が可能である。
【0002】
【従来の技術】微粒子分散ガラスの量子サイズ効果が最
近になって見出され注目されるようになってきている。 一般的には、例えばガラス、高分子など透明な絶縁物(
マトリックス)中に粒径が数100Å以下の半導体や金
属の超微粒子を分散し埋め込み薄膜として形成したもの
であり、これによれば量子サイズ効果による非線形性増
大効果が大いに期待できるとされている。
近になって見出され注目されるようになってきている。 一般的には、例えばガラス、高分子など透明な絶縁物(
マトリックス)中に粒径が数100Å以下の半導体や金
属の超微粒子を分散し埋め込み薄膜として形成したもの
であり、これによれば量子サイズ効果による非線形性増
大効果が大いに期待できるとされている。
【0003】そのような例として、「光学」第19巻第
1号(1990年1月)の第10〜16頁及び第17〜
24頁、「応用物理」第59巻第2号(1990)の第
155(23)〜162(30)頁、「応用物理」第5
9巻第6号(1990)の第738(52)〜745(
59)頁などには、種々のマトリックス中の半導体や金
属の超微粒子における3次の光学非線形性についての研
究が発表されている。
1号(1990年1月)の第10〜16頁及び第17〜
24頁、「応用物理」第59巻第2号(1990)の第
155(23)〜162(30)頁、「応用物理」第5
9巻第6号(1990)の第738(52)〜745(
59)頁などには、種々のマトリックス中の半導体や金
属の超微粒子における3次の光学非線形性についての研
究が発表されている。
【0004】だが、これまでに発表された文献を考察し
た限りにおいては、現時点では、(1)前記超微粒子の
平均サイズは、それを薄膜とする場合には、基板温度や
製膜後の熱処理等によってコントロールされることが多
く、加えて、粒径のバラツキが多いといった問題が残さ
れており、また(2)前記超微粒子のマトリックス中へ
の含有量はせいぜい15atmic%と低く、それ以上
の含有は難かしいとされている。
た限りにおいては、現時点では、(1)前記超微粒子の
平均サイズは、それを薄膜とする場合には、基板温度や
製膜後の熱処理等によってコントロールされることが多
く、加えて、粒径のバラツキが多いといった問題が残さ
れており、また(2)前記超微粒子のマトリックス中へ
の含有量はせいぜい15atmic%と低く、それ以上
の含有は難かしいとされている。
【0005】超微粒子の平均サイズ(粒径)は製膜時の
基板温度(150〜400℃)や製膜後の熱処理によっ
て制御することが一般的に行なわれる。熱処理は場合に
よって600〜700℃で実施されるため、基板にプラ
スチックを使用できないという不利がある。一方、薄膜
中の超微粒子の含有量が数%〜15atmic%に抑え
られてきたのは、一つには、FRスパッタ法という手段
に限られていたこと、更には、製膜中又は製膜後の加熱
手段を用いていたといった理由からであり、光学非線形
性を機能させるには光量を多くせざるを得ないといった
不利がある。逆にいえば、薄膜中の超微粒子の含有量を
多くできれば、少ない光量で光学非線形性を機能せしめ
ることができる。
基板温度(150〜400℃)や製膜後の熱処理によっ
て制御することが一般的に行なわれる。熱処理は場合に
よって600〜700℃で実施されるため、基板にプラ
スチックを使用できないという不利がある。一方、薄膜
中の超微粒子の含有量が数%〜15atmic%に抑え
られてきたのは、一つには、FRスパッタ法という手段
に限られていたこと、更には、製膜中又は製膜後の加熱
手段を用いていたといった理由からであり、光学非線形
性を機能させるには光量を多くせざるを得ないといった
不利がある。逆にいえば、薄膜中の超微粒子の含有量を
多くできれば、少ない光量で光学非線形性を機能せしめ
ることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は基板にプラス
チックを使用できるようにするとともに、透明マトリッ
クス中の超微粒子の含有量を15atmic%以上にし
た薄膜を提供するものである。
チックを使用できるようにするとともに、透明マトリッ
クス中の超微粒子の含有量を15atmic%以上にし
た薄膜を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の超微粒子分散薄
膜は、透明マトリックス中に金属又は半導体の超微粒子
が15atmic%以上分散され、柱状構造を有し、そ
の柱状構造は膜面に垂直でかつ該膜面中に形成されてな
ることを特徴としている。
膜は、透明マトリックス中に金属又は半導体の超微粒子
が15atmic%以上分散され、柱状構造を有し、そ
の柱状構造は膜面に垂直でかつ該膜面中に形成されてな
ることを特徴としている。
【0008】以下に本発明をさらに詳細に説明するが、
それに先立って簡単に「非線形光効果」及び「量子サイ
ズ効果」について、更に、それらの関連について触れる
ことにする。非線形効果とは、物質に光を照射するその
物質の吸収係数や屈折率など光学特性が光の強度に応じ
て変化する現象であり、これを利用することによって光
による光の制御が可能になり、入出力に光のみを使う全
光型の論理素子を実現できるというものである。量子サ
イズ効果とは、可視光領域で透明なガラスなどの中に埋
め込まれた半導体超微粒子の電子及び正孔はガラス等の
つくる深いポテンシャルによって三次元的に閉じこめら
める、というものである。そこで、電子を波動のように
考えるならば、小さい箱の中では波動様式は特定のもの
に制限されてしまうので、量子サイズ効果における前記
の電子状態は離散的になり、振動子強度や非線形感受率
は増大する。
それに先立って簡単に「非線形光効果」及び「量子サイ
ズ効果」について、更に、それらの関連について触れる
ことにする。非線形効果とは、物質に光を照射するその
物質の吸収係数や屈折率など光学特性が光の強度に応じ
て変化する現象であり、これを利用することによって光
による光の制御が可能になり、入出力に光のみを使う全
光型の論理素子を実現できるというものである。量子サ
イズ効果とは、可視光領域で透明なガラスなどの中に埋
め込まれた半導体超微粒子の電子及び正孔はガラス等の
つくる深いポテンシャルによって三次元的に閉じこめら
める、というものである。そこで、電子を波動のように
考えるならば、小さい箱の中では波動様式は特定のもの
に制限されてしまうので、量子サイズ効果における前記
の電子状態は離散的になり、振動子強度や非線形感受率
は増大する。
【0009】本発明に係る薄膜は、可視光領域で透明な
基板と透明なマトリックス中に金属や半導体の超微粒子
を15atomic%以上の高濃度で分散せしめ、かつ
、膜面に垂直な柱状構造を膜中に形成せしめることによ
って金属・半導体超微粒子を規則正しく縦に並べるよう
にしたものであり、このような構造をとることによって
、基板温度とか熱処理等の加熱の加減で粒径を制御する
のではなく、柱状構造の柱径を容易に制御して柱内の粒
子径を変えることができる。
基板と透明なマトリックス中に金属や半導体の超微粒子
を15atomic%以上の高濃度で分散せしめ、かつ
、膜面に垂直な柱状構造を膜中に形成せしめることによ
って金属・半導体超微粒子を規則正しく縦に並べるよう
にしたものであり、このような構造をとることによって
、基板温度とか熱処理等の加熱の加減で粒径を制御する
のではなく、柱状構造の柱径を容易に制御して柱内の粒
子径を変えることができる。
【0010】柱状構造の柱径は、例えばイオンビームス
パッタ法を用いれば、導入するガスの量やイオンビーム
の強度によって基板上の原子のふるまい(マイグレーシ
ョン)を制御できるので、100〜500Åのサイズで
変化させうる。柱と柱の間は超微粒子の存在確立が極端
に減少するので、超微粒子を縦に高濃度に並べることが
できる。光デバイスとする場合、光は膜面にできるだけ
垂直に入射させて用いるので、この柱状構造が光の透過
を邪魔することは少ない。
パッタ法を用いれば、導入するガスの量やイオンビーム
の強度によって基板上の原子のふるまい(マイグレーシ
ョン)を制御できるので、100〜500Åのサイズで
変化させうる。柱と柱の間は超微粒子の存在確立が極端
に減少するので、超微粒子を縦に高濃度に並べることが
できる。光デバイスとする場合、光は膜面にできるだけ
垂直に入射させて用いるので、この柱状構造が光の透過
を邪魔することは少ない。
【0011】前記のように、柱状構造は製膜条件によっ
て柱径が揃えられ、かつ、縦に垂直な規則正しいものと
して形成されるため、電子線リソグラフィーや反応性イ
オンエッチングなどの微細加工技術を用いることなく、
縦形非線形光学薄膜とすることが容易にできる。柱間の
間隔も導入するガス圧力によって制御することができる
。
て柱径が揃えられ、かつ、縦に垂直な規則正しいものと
して形成されるため、電子線リソグラフィーや反応性イ
オンエッチングなどの微細加工技術を用いることなく、
縦形非線形光学薄膜とすることが容易にできる。柱間の
間隔も導入するガス圧力によって制御することができる
。
【0012】マトリックス中に含有される超微粒子の大
きさは、ボーア半径以下に制御する必要がある。但し、
例えば半導体CdSxSey(但しy=1−xである)
の超微粒子がガラス中に点在する場合は、ボーア半径は
30〜50Åであるが、本発明では100Å以下であれ
ば良い。これは本発明の薄膜では超微粒子が縦方向に柱
状に重ねられていくためである。もっとも、粒子サイズ
の大きさは大略、柱状構造の柱径によって制御できると
ころに本発明の特徴がある。即ち粒子径に柱径より大き
くならない。柱径は50Å以上で制御できる。
きさは、ボーア半径以下に制御する必要がある。但し、
例えば半導体CdSxSey(但しy=1−xである)
の超微粒子がガラス中に点在する場合は、ボーア半径は
30〜50Åであるが、本発明では100Å以下であれ
ば良い。これは本発明の薄膜では超微粒子が縦方向に柱
状に重ねられていくためである。もっとも、粒子サイズ
の大きさは大略、柱状構造の柱径によって制御できると
ころに本発明の特徴がある。即ち粒子径に柱径より大き
くならない。柱径は50Å以上で制御できる。
【0013】微粒子材料には、半導体としてCdSxS
ey(但しy=1−xである)、CdS、CdSe、C
uCl、GaAs、ZnSe、InSb、InP、Cd
Te等があげられ、金属ではAu、Agなど、酸化物で
はMnO等があげられる。
ey(但しy=1−xである)、CdS、CdSe、C
uCl、GaAs、ZnSe、InSb、InP、Cd
Te等があげられ、金属ではAu、Agなど、酸化物で
はMnO等があげられる。
【0014】非線形性の大きさを表わす3次の非線形感
受率は超微粒子の数密度に比例する。従って、超微粒子
の数は多い方が望ましい。ところが、従来のrfスパッ
タ法などで基板を加熱して製膜を行なった場合には、薄
膜中の超微粒子の含有量は、前記のとおり、数atom
ic%が平均で最大でも15atomic%である。こ
れに対して、本発明では、薄膜中の超微粒子の含有量は
20atomic%以上であり、これは例えばXPSに
よって確認できる。この理由は必ずしも明らかではない
が、本発明は柱状構造を得る為にイオンビームスパッタ
法を好ましく用い、製膜時ガスを導入しながら作製する
という手段に帰因していると考えられる。
受率は超微粒子の数密度に比例する。従って、超微粒子
の数は多い方が望ましい。ところが、従来のrfスパッ
タ法などで基板を加熱して製膜を行なった場合には、薄
膜中の超微粒子の含有量は、前記のとおり、数atom
ic%が平均で最大でも15atomic%である。こ
れに対して、本発明では、薄膜中の超微粒子の含有量は
20atomic%以上であり、これは例えばXPSに
よって確認できる。この理由は必ずしも明らかではない
が、本発明は柱状構造を得る為にイオンビームスパッタ
法を好ましく用い、製膜時ガスを導入しながら作製する
という手段に帰因していると考えられる。
【0015】なお、ガスを導入しながらイオンビームス
パッタ法により製膜する方法によれば、例えば透明基板
としてガラスを用いてもガラス直上面から柱状構造がで
きる。この柱径を変化させたい場合には、ガス圧力を変
化させても良いが、例えば下地層として多結晶の粒子の
サイズを変化できる膜(例えばAu、ZnO、TiO2
など)を設け、その上に柱状構造を設ければ柱径は下地
の粒子サイズに影響をうけて制御可能となる。
パッタ法により製膜する方法によれば、例えば透明基板
としてガラスを用いてもガラス直上面から柱状構造がで
きる。この柱径を変化させたい場合には、ガス圧力を変
化させても良いが、例えば下地層として多結晶の粒子の
サイズを変化できる膜(例えばAu、ZnO、TiO2
など)を設け、その上に柱状構造を設ければ柱径は下地
の粒子サイズに影響をうけて制御可能となる。
【0016】基板は可視光に透明であればなんでも良く
、ガラス、石英やポリカーボネート、ポリエチレンテレ
フタレート等のプラスチックが用いられる。
、ガラス、石英やポリカーボネート、ポリエチレンテレ
フタレート等のプラスチックが用いられる。
【0017】製膜法にはイオンビームスパッタ法、PV
D法、CVD法などが採用しうるが、反応性の良好なイ
オンビームスパッタ法が好ましい。
D法、CVD法などが採用しうるが、反応性の良好なイ
オンビームスパッタ法が好ましい。
【0018】膜厚は特に限定されるわけではないが、1
00Å〜1μmくらいが適当である。
00Å〜1μmくらいが適当である。
【0019】
【実施例】次に実施例を示すが、本発明はこれらに限定
されるものではない。なお併せて、比較例を示す。
されるものではない。なお併せて、比較例を示す。
【0020】実施例1
透明なガラス基板上にイオンビームスパッタ法を用いて
下記の条件で約1200Å厚の薄膜を作製した。ここで
は、導入酸素のガス圧力のみ変化させて(A)(B)(
C)及び(D)の4種類の異なる薄膜とした。 ターゲット AuSi
(Si50atomic%) 基板加熱
なし イオン化ガス
Ar(純度99.999%) 導入ガ
ス 酸素(99.99
9%) 導入ガス圧力 (A
)0.6/106Torr
(B)0.8/106To
rr
(C)1.0/106Torr
(D)1.2/
106Torr イオン銃(電圧×電流) 9KV
×1.7mA イオン入射角
30度 ベースプレッシャー 4/10
7Torr ターゲット−基板間距離 14mm
下記の条件で約1200Å厚の薄膜を作製した。ここで
は、導入酸素のガス圧力のみ変化させて(A)(B)(
C)及び(D)の4種類の異なる薄膜とした。 ターゲット AuSi
(Si50atomic%) 基板加熱
なし イオン化ガス
Ar(純度99.999%) 導入ガ
ス 酸素(99.99
9%) 導入ガス圧力 (A
)0.6/106Torr
(B)0.8/106To
rr
(C)1.0/106Torr
(D)1.2/
106Torr イオン銃(電圧×電流) 9KV
×1.7mA イオン入射角
30度 ベースプレッシャー 4/10
7Torr ターゲット−基板間距離 14mm
【
0021】これらの透明膜をX線回折法で調べたところ
、SiO2のブロードな微少ピークをAuの微少ピーク
が観察された。側断面をTEM法で観察したところ、径
に下記のような柱状構造が見出された。(A)約160
Å (B)約130Å (C)約110Å (D
)約70ÅTEM像から求めた各試料のAuの平均粒径
は(A)約61Å、(B)約45Å、(C)約30Å、
(D)約21Åであった。また、XPSから求めたAu
の組成比は約20atomic%以上であった。
0021】これらの透明膜をX線回折法で調べたところ
、SiO2のブロードな微少ピークをAuの微少ピーク
が観察された。側断面をTEM法で観察したところ、径
に下記のような柱状構造が見出された。(A)約160
Å (B)約130Å (C)約110Å (D
)約70ÅTEM像から求めた各試料のAuの平均粒径
は(A)約61Å、(B)約45Å、(C)約30Å、
(D)約21Åであった。また、XPSから求めたAu
の組成比は約20atomic%以上であった。
【0022】更に、室温で分光光度計を用いて調べた光
学吸収端の測定結果から、明確な高エネルギーシフト(
ブルーシフト)が全ての試料で認められ、その大きさは
微粒子の平均粒径の2乗に比例し、量子サイズ効果を示
すのが確められた。
学吸収端の測定結果から、明確な高エネルギーシフト(
ブルーシフト)が全ての試料で認められ、その大きさは
微粒子の平均粒径の2乗に比例し、量子サイズ効果を示
すのが確められた。
【0023】比較例1
透明なガラス基板上にrfスパッタ法を用いて下記の条
件で約1200Å厚の薄膜を作製した。なお、ターゲッ
トにおけるAu/SiO2の面積比、ガラス基板温度、
高周波電力を変化させて(E)(F)(G)及び(H)
の4種類の異なる薄膜とした。 ターゲット SiO2の上
にAuチップを置く 導入ガス Ar(99
.999%)導入ガス圧力 4
/103Torrガラス基板温度
200〜350℃ベースプレッシャー 5/
107Torrターゲット−基板間距離 50mm 高周波電力 205〜30
0W
件で約1200Å厚の薄膜を作製した。なお、ターゲッ
トにおけるAu/SiO2の面積比、ガラス基板温度、
高周波電力を変化させて(E)(F)(G)及び(H)
の4種類の異なる薄膜とした。 ターゲット SiO2の上
にAuチップを置く 導入ガス Ar(99
.999%)導入ガス圧力 4
/103Torrガラス基板温度
200〜350℃ベースプレッシャー 5/
107Torrターゲット−基板間距離 50mm 高周波電力 205〜30
0W
【0024】各試料のAuの平均粒径は(E)約7
7Å、(F)約52Å、(G)約33Å、(H)約29
Åであり、膜の断面TEM像からはいずれの試料からも
柱状構造は認められなかった。また、X線回折図形から
は、SiO2のブロードな微少ピークとAuの微少ピー
クが観察された。XPSから求めた光学吸収端の測定結
果から、実施例1と同様の高エネルギーシフトが認めら
れたが、Au超微粒子の平均粒径の2乗には比例してい
なかった。
7Å、(F)約52Å、(G)約33Å、(H)約29
Åであり、膜の断面TEM像からはいずれの試料からも
柱状構造は認められなかった。また、X線回折図形から
は、SiO2のブロードな微少ピークとAuの微少ピー
クが観察された。XPSから求めた光学吸収端の測定結
果から、実施例1と同様の高エネルギーシフトが認めら
れたが、Au超微粒子の平均粒径の2乗には比例してい
なかった。
【0025】
【発明の効果】本発明の超微粒子分散薄膜は下記のよう
な利点を有している。 (1)約100Å以下の超微粒子を高濃度に含有しかつ
柱状構造を有しており、特に製膜時の基板加熱や製膜後
の熱処理が不要であるため、プラスチック基板などを用
いることができる。従って、3次の非線形感受率の大き
な膜の作製が容易である。 (2)膜面に対して垂直方向に超微粒子が並べられてい
るので、特に膜に垂直に光を入射させて利用するのに効
果的である。
な利点を有している。 (1)約100Å以下の超微粒子を高濃度に含有しかつ
柱状構造を有しており、特に製膜時の基板加熱や製膜後
の熱処理が不要であるため、プラスチック基板などを用
いることができる。従って、3次の非線形感受率の大き
な膜の作製が容易である。 (2)膜面に対して垂直方向に超微粒子が並べられてい
るので、特に膜に垂直に光を入射させて利用するのに効
果的である。
Claims (2)
- 【請求項1】 透明なマトリックス中に金属又は半導
体の超微粒子が15atomic%以上分散され、柱状
構造を有し、その柱状構造は膜面に垂直でかつ該膜面中
に形成されていることを特徴とする超微粒子分散薄膜。 - 【請求項2】 前記超微粒子の粒径は100Å以下で
ある請求項1記載の超微粒子分散薄膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6906491A JPH04281433A (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 超微粒子分散薄膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6906491A JPH04281433A (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 超微粒子分散薄膜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04281433A true JPH04281433A (ja) | 1992-10-07 |
Family
ID=13391771
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6906491A Pending JPH04281433A (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 超微粒子分散薄膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04281433A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8836212B2 (en) | 2007-01-11 | 2014-09-16 | Qd Vision, Inc. | Light emissive printed article printed with quantum dot ink |
| US8849087B2 (en) | 2006-03-07 | 2014-09-30 | Qd Vision, Inc. | Compositions, optical component, system including an optical component, devices, and other products |
| US9276168B2 (en) | 2007-07-23 | 2016-03-01 | Qd Vision, Inc. | Quantum dot light enhancement substrate and lighting device including same |
| US9874674B2 (en) | 2006-03-07 | 2018-01-23 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Compositions, optical component, system including an optical component, devices, and other products |
| US9929325B2 (en) | 2012-06-05 | 2018-03-27 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Lighting device including quantum dots |
| US9951438B2 (en) | 2006-03-07 | 2018-04-24 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Compositions, optical component, system including an optical component, devices, and other products |
-
1991
- 1991-03-08 JP JP6906491A patent/JPH04281433A/ja active Pending
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