第六节　量子点

现代量子点技术要追溯到20世纪70年代中期，是为了解决全球能源危机而发展起来的。通过光电化学研究，开发出半导体与液体之间的结合面，以利用纳米晶体颗粒优良的体表面积比来产生能量。1981年，瑞士物理学家在水溶液中合成出了硫化镉胶体。Brus博士与同事发现不同大小的硫化镉颗粒可产生不同的颜色。1983年，贝尔实验室科学家Brus证明了改变硫化镉胶体的大小，其激子能量也随之变化。于是，Brus将这种胶体与量子点的概念联系起来，首次提出胶状量子点（colloidal quantum dot）。这对了解量子限域效应很有帮助，该效应解释了量子点大小和颜色之间的相互关系，同时也为量子点的应用铺平了道路。

1997年以来，随着量子点制备技术的不断提高，量子点已越来越可能应用于生物学研究。1998年，Alivisatos和Nie两个研究小组分别在Science上发表有关量子点作为生物探针的论文，首次将量子点作为生物荧光标记，并应用于活细胞体系，解决了如何将量子点溶于水溶液，以及量子点如何通过表面活性基团与生物大分子偶联的问题，由此掀起了量子点的研究热潮。2018年9月，合肥工业大学与中国科学技术大学、广东省科学院合作，首次成功将石墨相氮化碳应用于下一代量子点显示技术，并成功制备了新型量子点显示器件。

量子点（quantum dot，QD）是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm。更进一步的规定指出，量子点的半径必须小于其对应体材料的激子波尔半径，尺寸通常在1～10nm。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要由静电势、材料界面、半导体表面的作用或三者的综合作用造成。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域的特殊应用。

一、量子点的特性

由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。

（一）量子尺寸效应

纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著。

（二）表面效应

纳米颗粒的比表面积为，量子点比表面积随着颗粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响。

（三）量子隧道效应

量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，当微观粒子（例如电子等）能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又称为宏观量子隧道效应。

（四）介电限域效应

20世纪70年代Keldysh等首先发现了介电限域效应。该现象可以表示为在不同介质中，因两种不同材料接触界面引起的介电作用变强的现象。与未被介质包裹的量子点相比，被介质包裹的量子点屏蔽效应变弱，带电粒子间库仑作用变大，增加了激子的振子强度和结合能，体现到吸收光谱上就表现为光谱红移。

（五）Stark效应

在量子点上加上外电场时，激子会得到额外的能量，第一吸收峰会发生改变，这种现象称为Stark效应。对量子点而言，所有外加电场均会导致吸收光谱的红移，且红移程度随电场强度的增加而增加。

二、量子点的应用

量子点在生物医学、能源材料等领域都有巨大的应用价值。

（一）能源领域

量子点制备的初衷即为能源应用。随着工业发展，当今能源需求日益增加，如何解决能源危机已经成为当前热点。量子点太阳能电池的优点显而易见，一是量子点拥有较高的载流子迁移率，可以大幅度增加光电转化效率；二是带隙可调节，不仅可以使激发光谱覆盖太阳光谱，增加光能利用率，还可让量子点在特定环境中工作。量子点在太阳能电池领域有着巨大的潜力与优势。

（二）发光器材

量子点具有发光波长可调谐，发光线宽窄，发光效率高，光、热及化学稳定性好等优点，经过溶液加工、旋涂或喷墨印刷成膜后集成到电致发光器件（light-emitting device，LED）中，可以作为有效的激子辐射复合中心，是应用于固态照明和全色平板显示的新一代发光材料。量子点LED与传统的荧光粉LED以及有机LED相比，用于显示和照明时，具有色域广、色纯度高、低功耗、低成本、易加工等优点。

（三）光电探测

基于量子点可调节的吸收谱，研究人员可以合成具有特定吸收峰的量子点附着于探测器上，甚至可以制作特定的光电感应器件，用于特殊环境光强探测及校准。

（四）生物应用

量子点在生物上的应用最广泛也最为成熟，主要是细胞成像和分子示踪两方面。

1.细胞成像现代医学已经到了一个全新的高度，研究者不仅可以定量研究药物的疗效，甚至能够实时监测药物的作用机制，因此，相应的细胞标记技术便成了至关重要的技术手段。与传统荧光材料相比，量子点具有宽吸收谱、窄荧光谱、高稳定性的特点，而能更好地应用于生物标记、细胞成像。

2.分子示踪相较于细胞标记，分子示踪对技术要求更进一步。在临床上，研究者不仅可以检测细胞的动向，同时可以定向研究药物在病体中的趋势，具有实时分析的重要意义。

（五）激光器

由于量子点的限域效应，使其阈值电流降低、工作温度升高，这些因素都在一定程度上提高了激光器的质量。

（六）量子点的其他应用

由于量子点的特殊光电效应，在红外探测器、离子传感器等方面也得到很好的应用。