量子點

 

量子點是一種微小顆粒或納米晶體，即直徑在2-10納米（10-50個原子）之間的半導體材料。其于1980年首次見諸報道。1量子點顯示出獨特的電子性質，介于宏觀半導體和離散分子之間。其獨特性質一部分是由于這些粒子具有異常高的表面積/體積比所造成的。2-4由此造成的最明顯的結果是熒光性，也就是納米晶體可以產生由顆粒尺寸所確定的獨特顏色。

 

由于尺寸非常小，量子點中的電子被限制在一個非常小的空間（量子箱）中，當半導體納米晶體的半徑小于激子波爾半徑（激子波爾半徑是導帶中的電子和它在價帶中留下的空穴之間的平均距離）時，根據泡利的排斥原理，能量水平發生量子化（如圖1所示）5，6。量子點的離散量子化能級使它們相比于宏觀材料而言，會更偏向原子一些，這也正是為什么量子點被稱為“人造原子”的原因。通常，隨著晶體尺寸的減小，最高價帶與最低導帶之間的能量差增大。從而導致量子點需要更多的能量激發，同時在當晶體返回基態時會釋放出更多的能量，導致發射光顏色從紅色變為藍色。借助這種現象，可以簡單地通過改變量子點的大小，從而使得相同的一種材料發射出任何顏色的光。另外，由于所制備的納米晶體尺寸高度可控，因此量子點可以在制造過程中經調控發射任何顏色的光。7

量子點可以根據其組成和結構的不同分為不同的類型。

 

 

圖 1.由于量子限制效應，量子點中的能級發生分裂，半導體帶隙隨著納米晶體尺寸的減小而增加。

 

核型量子點

量子點可以是一種具有均勻內部組成的單組分材料，例如鎘、鉛或鋅等一類金屬的硫族化合物（硒化物、硫化物或碲化物），例如CdTe或PbS。可以通過簡單地改變微晶尺寸來對核型納米晶體的光電和電致發光性質進行微調。

 

核殼量子點

量子點的發光性是由電子-空穴對（激子衰變）通過輻射發生復合而產生的。然而，激子衰變也可能通過非輻射發生，導致熒光量子產率降低。用于提高半導體納米晶體的效率和亮度的方法之一是在其周圍長出另外一種具有較高帶隙的半導體材料的殼。這些由小區域內的一種材料嵌入具有較寬帶隙的另一種材料所形成的量子點被稱為核-殼量子點（CSQD）或核-殼半導體納米晶體（CSSNC）。例如， CdSe核/ZnS殼（量子點就表現出大于50％的量子產率。用殼涂覆量子點可以通過鈍化非輻射復合位點來提高量子產率，也使得其在各種應用的處理條件下表現出更強的魯棒性。作為調整量子點的光物理性質的一種方法，該方法已得到了廣泛研究。8-10

 

合金量子點

可以通過改變微晶尺寸來調節光學和電子性質，這一性能已經成為了量子點的標志。但是，通過改變微晶尺寸來調整性質這一方法可能會在許多尺寸有限制的應用中引起問題。多組分量子點為您提供了另一種調整性能而不改變微晶尺寸的方法。具有均質以及漸變內部結構的合金半導體量子點可以通過僅改變組成和內部結構，不改變微晶尺寸來調整光學和電子性質。例如，通過改變組成（圖2），直徑為6nm的復合CdSxSe1-x/ZnS量子點就可以發射不同波長的光。通過將具有不同帶隙能量的兩種半導體以合金的形式組合在一起，得到了合金半導體量子點，它們的的各種性質既不同于它們對應的宏觀材料的性質，也不同于母體半導體的性質，這一點令人非常感興趣。因此，除了由于量子限制效應而出現的性質之外，合金納米晶體還具有一系列新的附加組成-可控性質。11

 

 

圖 2.6nm直徑合金CdSxSe1-x/ZnS量子點的光致發光性。通過調整組成，材料會發出不同顏色的光。

 

量子點應用

尺寸非常小的半導體量子點具有獨特的尺寸和可利用組分調控的電子性質，對于各種應用和新技術而言非常有吸引力。12

量子點對于光學應用來說特別重要，原因在于其具有明亮、純凈的顏色，發射多種顏色的能力，以及高效率、更長的壽命和高消光系數。應用實例包括LED和固態照明、顯示器和光伏。7，13，14

量子點屬于零維材料，比高維結構的相密度更高。它的小尺寸也意味著電子不必像在較大的粒子上時需要進行移動，因此電子設備可以完成更快的操作。利用這些獨特電子特性的應用實例包括晶體管、太陽能電池、超快全光開關、邏輯門以及量子計算等等。13-15

量子點的小尺寸使其能夠到達人體內的任何地方，適用于醫學成像、生物傳感器等不同的生物醫學應用。目前，基于熒光的生物傳感器依賴于具有寬光譜寬度的有機染料，這使得其無法只利用少量顏色，降低了效率，還會減少標記基團的使用壽命。另一方面，量子點可以發射全光譜，更加明亮，隨著時間的推移幾乎不會發生衰減，優于生物醫學應用中使用的傳統有機染料。16

 

參考文獻：

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