量子点是一种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。其于1980年首次见诸报道。1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。2-4 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。

由于尺寸非常小,量子点中的电子被限制在一个非常小的空间(量子箱)中,当半导体纳米晶体的半径小于激子波尔半径(激子波尔半径是导带中的电子和它在价带中留下的空穴之间的平均距离)时,根据泡利的排斥原理,能量水平发生量子化(如图1所示)5,6。量子点的离散量子化能级使它们相比于宏观材料而言,会更偏向原子一些,这也正是为什么量子点被称为“人造原子”的原因。通常,随着晶体尺寸的减小,最高价带与最低导带之间的能量差增大。从而导致量子点需要更多的能量激发,同时在当晶体返回基态时会释放出更多的能量,导致发射光颜色从红色变为蓝色。借助这种现象,可以简单地通过改变量子点的大小,从而使得相同的一种材料发射出任​​何颜色的光。另外,由于所制备的纳米晶体尺寸高度可控,因此量子点可以在制造过程中经调控发射任何颜色的光。7

量子点可以根据其组成和结构的不同分为不同的类型。

量子限制效应

图 1.由于量子限制效应,量子点中的能级发生分裂,半导体带隙随着纳米晶体尺寸的减小而增加。


核型量子点

量子点可以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),例如CdTe(货号777951)或PbS(货号747017)。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。

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。用于提高半导体纳米晶体的效率和亮度的方法之一是在其周围长出另外一种具有较高带隙的半导体材料的壳。这些由小区域内的一种材料嵌入具有较宽带隙的另一种材料所形成的量子点被称为核-壳量子点(CSQD)或核-壳半导体纳米晶体(CSSNC)。例如,Sigma-Aldrich材料科学为您提供的CdSe核/ZnS壳(货号748056, 790192)量子点就表现出大于50%的量子产率。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,也使得其在各种应用的处理条件下表现出更强的鲁棒性。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。8-10

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。但是,通过改变微晶尺寸来调整性质这一方法可能会在许多尺寸有限制的应用中引起问题。多组分量子点为您提供了另一种调整性能而不改变微晶尺寸的方法。具有均质以及渐变内部结构的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。例如,通过改变组成(货号753742, 753793)(图2),直径为6nm的复合CdSxSe1-x/ZnS量子点就可以发射不同波长的光。通过将具有不同带隙能量的两种半导体以合金的形式组合在一起,得到了合金半导体量子点,它们的的各种性质既不同于它们对应的宏观材料的性质,也不同于母体半导体的性质,这一点令人非常感兴趣。因此,除了由于量子限制效应而出现的性质之外,合金纳米晶体还具有一系列新的附加组成-可控性质。11

6nm直径合金CdSxSe1-x/ZnS量子点的光致发光性

图 2.6nm直径合金CdSxSe1-x/ZnS量子点的光致发光性。通过调整组成,材料会发出不同颜色的光。

量子点应用

尺寸非常小的半导体量子点具有独特的尺寸和可利用组分调控的电子性质,对于各种应用和新技术而言非常有吸引力。12

量子点对于光学应用来说特别重要,原因在于其具有明亮、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。应用实例包括LED和固态照明、显示器和光伏。7,13,14

量子点属于零维材料,比高维结构的相密度更高。它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晶体管、太阳能电池、超快全光开关、逻辑门以及量子计算等等。13-15

量子点的小尺寸使其能够到达人体内的任何地方,适用于医学成像、生物传感器等不同的生物医学应用。目前,基于荧光的生物传感器依赖于具有宽光谱宽度的有机染料,这使得其无法只利用少量颜色,降低了效率,还会减少标记基团的使用寿命。另一方面,量子点可以发射全光谱,更加明亮,随着时间的推移几乎不会发生衰减,优于生物医学应用中使用的传统有机染料。16

材料
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参考文献:

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