朱邦尚

上海交通大学分析测试中心研究员，民进上海交通大学委员会副主委，民进上海市委人口与资源环境委员会副主任

在当今的材料应用领域中，纳米科学技术发展中的多个里程碑式工作也来自于量子点相关研究。量子点（Quantum dots， QDs）已经成为备受瞩目的技术革命之一。2023年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，美国麻省理工学院的蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美国纳米晶体科技公司的阿列克谢·埃基莫夫（Alexei I. Ekimov）和美国哥伦比亚大学的路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus）荣膺2023年诺贝尔化学奖，表彰他们 “发现和合成量子点”的科学贡献。

图1. 化学家Moungi Bawendi（左）、化学家Louis Brus（中）和物理学家Alexei Ekimov（右）

一、量子点是什么？

量子点是一类微小颗粒或纳米晶体，即直径在2-10纳米（10-50个原子）之间的半导体材料。简单来讲，量子点是把导带电子、价带空穴及激子(电子-空穴对)在三个空间维度上束缚住的半导体纳米结构。1980年，研究者首次报道了量子点。量子点显示出独特的电子性质，介于宏观半导体和离散分子之间。其独特性质一部分是由于这些粒子具有异常高的表面积/体积比所造成的。由此造成的最明显的结果是荧光性，也就是纳米晶体可以产生由颗粒尺寸所确定的独特颜色。

图2. 紫外灯照射时，由于注入了不同大小的量子点，这些小瓶中的液体会发出不同的颜色。

二、量子点的结构与性质

量子点可以被认为是小分子和大晶体之间的桥梁，显示出类似于孤立原子和分子的离散的电子跃迁态，也具有结晶材料的性能。量子点作为微小的半导体晶体，往往表现出尺寸依赖的电子性能，展现出许多不同于宏观体相材料的物理化学性质。调整量子点尺寸是调整带隙能量的主要方法，量子点性质的尺寸依赖特性主要是由纳米晶的内部结构决定的。随着晶体变小，表面上的原子数目增加，表面上的原子不完全结合在晶体晶格内，因此会破坏结晶周期性并留下一个或多个“悬空轨道”。量子点的熔点随着尺寸减小而降低，不同晶相之间的表面能差异也被用于解释高比表面积的量子点中应力诱导的相变性质的改变。量子点独特的性质源于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，将引起量子限域效应、宏观量子隧穿效应和表面效应等，从而派生出纳米体系所具有的与宏观和微观体系不同的特性。

三、量子点的类型

量子点可以根据其组成和结构的不同分为不同的类型。

1） 核型量子点：是一种具有均匀内部组成的单组分材料，例如镉、铅或锌等一类金属的硫族化合物（硒化物、硫化物或碲化物）。可以通过简单地改变微晶尺寸来对核型纳米晶体的光电和电致发光性质进行微调。

2） 核壳量子点：量子点的发光性是由电子-空穴对（激子衰变）通过辐射发生复合而产生的。然而，激子衰变也可能通过非辐射发生，导致荧光量子产率降低。用壳涂覆量子点可以通过钝化非辐射复合位点来提高量子产率，作为调整量子点的光物理性质的一种方法，该方法已得到了广泛研究。

3） 合金量子点：可以通过改变微晶尺寸来调节光学和电子性质，这一性能已经成为了量子点的标志。多组分合金半导体量子点可以通过仅改变组成和内部结构，不改变微晶尺寸来调整光学和电子性质。

四、量子点应用

量子点和传统发光材料有很大的区别，以优越的光学特性而令人瞩目。基于量子点的多种物理效应(如量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应等)，量子点在太阳能转换、发光和显示器件、光电探测、催化、分子和细胞标记及超灵敏检测等领域有许多潜在的应用。量子点由于其具有明亮、纯净的颜色，发射多种颜色的能力，以及高效率、更长的寿命和高消光系数。光学方面应用实例包括用于发光二极管(LED)和固态照明、显示器和光伏领域。量子点的小尺寸也意味着电子不必像在较大的粒子上时需要进行移动，因此电子设备可以完成更快的操作。利用这些独特电子特性的应用实例包括光电导体、光电探测器、太阳能电池、超快全光开关、逻辑门以及量子计算等。量子点的小尺寸、高发光、窄发射、低毒性和生物相容性（取决于元素组成）使其成为生物成像、诊断和生物传感应用的完美候选者。

图3. 半导体量子点技术：量子点具有可调控及独特的光学、电学、化学和物理性质，其应用涵盖能源采集、照明、显示器、摄像机、传感器、通信技术、生物学和医学等领域。

原标题：《【科普】神奇的纳米发光材料——量子点》