量子點(diǎn)
量子點(diǎn)
量子點(diǎn)是一種微小顆?；蚣{米晶體，即直徑在2-10納米（10-50個(gè)原子）之間的半導(dǎo)體材料。其于1980年首次見(jiàn)諸報(bào)道。1量子點(diǎn)顯示出獨(dú)特的電子性質(zhì)，介于宏觀半導(dǎo)體和離散分子之間。其獨(dú)特性質(zhì)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(jié)果是熒光性，也就是納米晶體可以產(chǎn)生由顆粒尺寸所確定的獨(dú)特顏色。
由于尺寸非常小，量子點(diǎn)中的電子被限制在一個(gè)非常小的空間（量子箱）中，當(dāng)半導(dǎo)體納米晶體的半徑小于激子波爾半徑（激子波爾半徑是導(dǎo)帶中的電子和它在價(jià)帶中留下的空穴之間的平均距離）時(shí)，根據(jù)泡利的排斥原理，能量水平發(fā)生量子化（如圖1所示）5，6。量子點(diǎn)的離散量子化能級(jí)使它們相比于宏觀材料而言，會(huì)更偏向原子一些，這也正是為什么量子點(diǎn)被稱(chēng)為“人造原子”的原因。通常，隨著晶體尺寸的減小，最高價(jià)帶與最低導(dǎo)帶之間的能量差增大。從而導(dǎo)致量子點(diǎn)需要更多的能量激發(fā)，同時(shí)在當(dāng)晶體返回基態(tài)時(shí)會(huì)釋放出更多的能量，導(dǎo)致發(fā)射光顏色從紅色變?yōu)樗{(lán)色。借助這種現(xiàn)象，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變量子點(diǎn)的大小，從而使得相同的一種材料發(fā)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(diǎn)可以在制造過(guò)程中經(jīng)調(diào)控發(fā)射任何顏色的光。7
量子點(diǎn)可以根據(jù)其組成和結(jié)構(gòu)的不同分為不同的類(lèi)型。
圖 1.由于量子限制效應(yīng)，量子點(diǎn)中的能級(jí)發(fā)生分裂，半導(dǎo)體帶隙隨著納米晶體尺寸的減小而增加。
核型量子點(diǎn)
量子點(diǎn)可以是一種具有均勻內(nèi)部組成的單組分材料，例如鎘、鉛或鋅等一類(lèi)金屬的硫族化合物（硒化物、硫化物或碲化物），例如CdTe或PbS?？梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單地改變微晶尺寸來(lái)對(duì)核型納米晶體的光電和電致發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行微調(diào)。
核殼量子點(diǎn)
量子點(diǎn)的發(fā)光性是由電子-空穴對(duì)（激子衰變）通過(guò)輻射發(fā)生復(fù)合而產(chǎn)生的。然而，激子衰變也可能通過(guò)非輻射發(fā)生，導(dǎo)致熒光量子產(chǎn)率降低。用于提高半導(dǎo)體納米晶體的效率和亮度的方法之一是在其周?chē)L(zhǎng)出另外一種具有較高帶隙的半導(dǎo)體材料的殼。這些由小區(qū)域內(nèi)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(diǎn)被稱(chēng)為核-殼量子點(diǎn)（CSQD）或核-殼半導(dǎo)體納米晶體（CSSNC）。例如， CdSe核/ZnS殼（量子點(diǎn)就表現(xiàn)出大于50％的量子產(chǎn)率。用殼涂覆量子點(diǎn)可以通過(guò)鈍化非輻射復(fù)合位點(diǎn)來(lái)提高量子產(chǎn)率，也使得其在各種應(yīng)用的處理?xiàng)l件下表現(xiàn)出更強(qiáng)的魯棒性。作為調(diào)整量子點(diǎn)的光物理性質(zhì)的一種方法，該方法已得到了廣泛研究。8-10
合金量子點(diǎn)
可以通過(guò)改變微晶尺寸來(lái)調(diào)節(jié)光學(xué)和電子性質(zhì)，這一性能已經(jīng)成為了量子點(diǎn)的標(biāo)志。但是，通過(guò)改變微晶尺寸來(lái)調(diào)整性質(zhì)這一方法可能會(huì)在許多尺寸有限制的應(yīng)用中引起問(wèn)題。多組分量子點(diǎn)為您提供了另一種調(diào)整性能而不改變微晶尺寸的方法。具有均質(zhì)以及漸變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合金半導(dǎo)體量子點(diǎn)可以通過(guò)僅改變組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不改變微晶尺寸來(lái)調(diào)整光學(xué)和電子性質(zhì)。例如，通過(guò)改變組成（圖2），直徑為6nm的復(fù)合CdSxSe1-x/ZnS量子點(diǎn)就可以發(fā)射不同波長(zhǎng)的光。通過(guò)將具有不同帶隙能量的兩種半導(dǎo)體以合金的形式組合在一起，得到了合金半導(dǎo)體量子點(diǎn)，它們的的各種性質(zhì)既不同于它們對(duì)應(yīng)的宏觀材料的性質(zhì)，也不同于母體半導(dǎo)體的性質(zhì)，這一點(diǎn)令人非常感興趣。因此，除了由于量子限制效應(yīng)而出現(xiàn)的性質(zhì)之外，合金納米晶體還具有一系列新的附加組成-可控性質(zhì)。11
圖 2.6nm直徑合金CdSxSe1-x/ZnS量子點(diǎn)的光致發(fā)光性。通過(guò)調(diào)整組成，材料會(huì)發(fā)出不同顏色的光。
量子點(diǎn)應(yīng)用
尺寸非常小的半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有獨(dú)特的尺寸和可利用組分調(diào)控的電子性質(zhì)，對(duì)于各種應(yīng)用和新技術(shù)而言非常有吸引力。12
量子點(diǎn)對(duì)于光學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)特別重要，原因在于其具有明亮、純凈的顏色，發(fā)射多種顏色的能力，以及高效率、更長(zhǎng)的壽命和高消光系數(shù)。應(yīng)用實(shí)例包括LED和固態(tài)照明、顯示器和光伏。7，13，14
量子點(diǎn)屬于零維材料，比高維結(jié)構(gòu)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(shí)需要進(jìn)行移動(dòng)，因此電子設(shè)備可以完成更快的操作。利用這些獨(dú)特電子特性的應(yīng)用實(shí)例包括晶體管、太陽(yáng)能電池、超快全光開(kāi)關(guān)、邏輯門(mén)以及量子計(jì)算等等。13-15
量子點(diǎn)的小尺寸使其能夠到達(dá)人體內(nèi)的任何地方，適用于醫(yī)學(xué)成像、生物傳感器等不同的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。目前，基于熒光的生物傳感器依賴(lài)于具有寬光譜寬度的有機(jī)染料，這使得其無(wú)法只利用少量顏色，降低了效率，還會(huì)減少標(biāo)記基團(tuán)的使用壽命。另一方面，量子點(diǎn)可以發(fā)射全光譜，更加明亮，隨著時(shí)間的推移幾乎不會(huì)發(fā)生衰減，優(yōu)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)有機(jī)染料。16
參考文獻(xiàn)：
1.Sreenivasan M. 1981. Cytology of a Spontaneous TriploidCoffea CanephoraPierre ex Froehner. Caryologia. 34(3):345-349. http://dx.doi.org/10.1080/00087114.1981.10796901
2.Kastner MA. 1993. Artificial Atoms. Physics Today. 46(1):24-31. http://dx.doi.org/10.1063/1.881393
3.Ashoori RC. 1996. Electrons in artificial atoms. Nature. 379(6564):413-419. http://dx.doi.org/10.1038/379413a0
4.Collier CP, Vossmeyer T, Heath JR. 1998. NANOCRYSTAL SUPERLATTICES. Annu. Rev. Phys. Chem.. 49(1):371-404. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.physchem.49.1.371
5.Reimann SM, Manninen M. Electronic structure of quantum dots. Rev. Mod. Phys.. 74(4):1283-1342. http://dx.doi.org/10.1103/revmodphys.74.1283
6.Bawendi MG, Steigerwald ML, Brus LE. 1990. The Quantum Mechanics of Larger Semiconductor Clusters ("Quantum Dots"). Annu. Rev. Phys. Chem.. 41(1):477-496. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.pc.41.100190.002401
7.Yoffe AD. 2001. Semiconductor quantum dots and related systems: Electronic, optical, luminescence and related properties of low dimensional systems. Advances in Physics. 50(1):1-208. http://dx.doi.org/10.1080/00018730010006608
8.Rao CNR, Müller A, Cheetham AK. 2004. The Chemistry of Nanomaterials. http://dx.doi.org/10.1002/352760247x
9.Dorfs D, Eychmüller A. 2006. Multishell Semiconductor Nanocrystals. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 220(12):1539-1552. http://dx.doi.org/10.1524/zpch.2006.220.12.1539
10.Smith AM, Nie S. 2009. Next-generation quantum dots. Nat Biotechnol. 27(8):732-733. http://dx.doi.org/10.1038/nbt0809-732
11.Vastola G, Zhang Y, Shenoy VB. 2012. Experiments and modeling of alloying in self-assembled quantum dots. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 16(2):64-70. http://dx.doi.org/10.1016/j.cossms.2011.10.004
12.Vahala KJ. 2003. Optical microcavities. Nature. 424(6950):839-846. http://dx.doi.org/10.1038/nature01939
13.Nirmal M, Brus L. 1999. Luminescence Photophysics in Semiconductor Nanocrystals. Acc. Chem. Res.. 32(5):407-414. http://dx.doi.org/10.1021/ar9700320
14.Sargent EH. 2012. Colloidal quantum dot solar cells. Nature Photon. 6(3):133-135. http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2012.33
15.Zhao Y, Burda C. Development of plasmonic semiconductor nanomaterials with copper chalcogenides for a future with sustainable energy materials. Energy Environ. Sci.. 5(2):5564-5576. http://dx.doi.org/10.1039/c1ee02734d
16.Medintz IL, Uyeda HT, Goldman ER, Mattoussi H. 2005. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing. Nature Mater. 4(6):435-446. http://dx.doi.org/10.1038/nmat1390
