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什么叫做量子点?

【刘洋的回答(51票)】:

身为一个有自知之明的学渣,本来不大想在这种问题上班门弄斧,但是隐约觉得排名第一的答案里有些和我所知道的不太一样……稍微提几点@Andrew Shen 君答案中不那么确切的部分吧。

我们通常把量子点分成三类:胶体量子点,自组装量子点和电场约束量子点。其中胶体量子点和自组装量子点是可以发射荧光的,电场约束量子点正常情况下,不经过奇思妙想的设计,不大能发光。

1. 胶体量子点/什么是量子点

很多周围的同学说起量子点,脑子里出来的都是这种美美哒画面,我也喜欢从这里开始给大家讲量子点。

大家看到这些五颜六色的小瓶子了,这些小瓶子里装的其实都是同一种物质的悬浊液,之所以发光颜色不同,是因为悬在里面的半导体颗粒大小不同。比如说,蓝瓶的那个里面的颗粒会比较小一点,然后从左往右,随着颗粒依次增大,颜色也从蓝色过渡到了红色。这种量子点就是所谓的胶体量子点。

简单的说,如果大家还记得量子力学第一课,一维势阱模型,这里并不难理解。当然,不记得也无妨。总之在这种半导体结构里,物质的长宽高越小,发光的波长就会越短,颜色就越偏近于蓝色。反之则是红色。

说了这么多,总结一句话。作为量子点这种可爱的材料,你控制了它的大小,就改变了它的能量结构,甚至是化学性质。于是我们在某些情况下,可以更加方便地控制这些材料的性能。比如说吧,胶体量子点可以用来做显示屏里的发光单元,在这样的情况下,我们就不用再拘泥于RGB了,每一个显色的单元里,红橙黄绿青蓝紫并肩子上也不是问题了!

而这也是“量子点”和“纳米颗粒”这两个概念的根本区别。量子点这种材料,利用的是半导体能级在尺度极小之后的量子化现象,而“纳米颗粒”这个概念更大一点,当物体达到纳米级别,可以发生的事情太多了,比如表面积增大啊,什么什么什么的(学渣嘴脸尽显)。

2. 自组装量子点/自顶向下量子点?

严格意义上来说吧,我觉得自组装量子点跟胶体量子点也没那么大的不同,虽然这个不幸是我的老本行,理论上来说我应该对这一段大说特说。

胶体量子点是化学合成出来的,漂浮在液体中。虽然每一个小颗粒都像原子一样有着不同的壳层,但想抓住其中的一个认真拷问它作为一个“有分立能级的粒子”的性能,几乎是不可能的。(其实也不算不可能,我们组就做过一些尝试,虽败犹荣……)

这个时候自组装量子点就登场了。自组装量子点的生长是典型的自底向上。宛如种庄稼一般。举个特别糟糕的栗子,就像给一个e杯的姑娘穿b杯的bra,自然就挤出了多余的塞不进去的肉,也就形成了三维的微观结构(希望有节操的同行同组全都不要八我是谁啊呜呜呜……)

自组装量子点是长在基片上的。如果把胶体量子点比作一杯珍珠奶茶,自组装量子点就是一张芝麻大饼。芝麻也好,珍珠也好,都是在三个维度上受限的半导体。唯一的本质区别就是,实验中定位一粒芝麻远比定位一粒滚来滚去的珍珠容易的多。

之所以我会把自顶向下量子点也暧昧地列在这一段里,是因为利用刻蚀之类的所谓自顶向下的方式,也能制造出这类的量子点。这一大类量子点的优越性在于1. 能发光, 2. 便于做有关单个量子点的研究, 3. 易于调教。所谓调教,一般就是加电场,加磁场,加压力,加更多的激光。其中一些手段自然也是可以用在胶体量子点上的。但是胶体量子点大小不一,又很难捞出一个单个的来玩,所以我们看到它的表现,是成万上亿个群众的共同作用。所以很多只有细微观察才能看到的,个体的经历和内心挣扎,我们是无法看到的……

3. 电场约束量子点

对不起我是搞光学的,对这种不发光的东西不太懂……

呃好吧我还是不傲娇了。电场约束量子点这个东西我的确理解得比较片面。首先,这种量子点也是通过自顶向下的方式制造的。通过在半导体基片上疯狂加电极并且控制电场,我们可以给电子们制造一个温暖的小窝……没有电场的时候,这个小窝是不存在的……

配图如下:

傅里叶变换后,应该是这幅图:傅里叶变换后,应该是这幅图:

那两个红色的区域,就是对半导体内电子进行三维量子化囚禁的监牢。因为我们只束缚了电子而没有像前两个例子一样同时束缚空穴,这种量子点是不能啪啪啪地发出荧光的……那两个红色的区域,就是对半导体内电子进行三维量子化囚禁的监牢。因为我们只束缚了电子而没有像前两个例子一样同时束缚空穴,这种量子点是不能啪啪啪地发出荧光的……

但是,它的电学性能那是无比精准啊!而且不论是大小位置能级之类的东西,一切都可以做到完美啊!谁叫它是用电场束缚的呢?

所以,当人们谈起量子计算,谈起的是它,而不是会发光又很乖不爱乱跑的自组装量子点……

关于这几种量子点到底哪种更便宜的问题,我不大想说。大家都知道,为了发顶级文章,我们最好可以无所不用其极地使用变态的昂贵的方法制造量子点,但是,如果我们没有设备没有条件,我们也可以做一些性能比较挫的样品,然后强调它易于制备,经济性能好。说来说去,我们最终的目的只是简单地为了发文章而已……“便宜”和“表面态影响”,可以说是材料科学界的“早点睡”和“多喝水”。

4. 应用(缓慢更新中)

4.1 量子点显示器

看到一楼问量子点屏幕的事。实话实说我是现场问度娘的。对这个应用方向我第一反应是好啊好啊大势所趋,第二反应是擦胶体量子点不是很不稳定么。

首先量子点显示屏使用的是的确制作成本非常低廉的胶体量子点。它们所取代的传统显示屏的部件,是在液晶显示屏背后的白色LED光。前文有云,调整量子点大小则可轻易得到你想要的颜色。所以,我们可以通过混合不同大小的量子点做出覆盖光谱更广阔,更均匀,更美丽的白光。而用这种量子点发出的白光作为背光,我们可以让显示屏的效果更拔群。

这种技术本身并不前沿,仅仅是用量子点的白光替代了LED的白光,主要的槽点是1)量子点制备过程不干净,里面有残留的重金属毒素怎么办(已经在解决); 2) 胶体量子点寿命有限怎么办(大家好像都在回避这个问题)。考虑到这两点,如果你对色彩的饱和度没有特别的追求,我觉得没什么必要急着出手。

以下这篇报道说得听清楚,我就不复制粘贴了。

wechat.fingerdaily.com/

5. 跋

在这里拉拉杂杂写这么多,想来我不是大v,也不会说话,估计多年以后,这个答案依然会被淹没在各种0赞里(已经不是0赞了!很开心!)。但是,如果你不知何故竟然读了这个不靠谱的介绍,请务必给我提点意见。我很希望有一天,有人能告诉我,是我给ta讲清楚了量子点究竟是怎么一回事,也不枉本学渣误入此行多年。

【苏雅兰的回答(77票)】:

量子点最广泛的定义就是零维量子系统, 即在所有三个空间维度上都受到限制的系统. 这个限制导致最直接以及最重要的结果就是分立的能级, 即量子点中电子的能量是量子化的.

因为在空间三个方向都受到限制, 所以量子点最大的特点便是"小". 常见的量子点比如: 纳米晶体, 原子簇, 分子(如C60) 以及一些纳米半导体器件.

量子点最合适的分类方式, 在我看来是按照其合成方法进行分类.

  • 自底向上(bottom-up): 比如化学合成, 分子或原子的自组装. 通过这类方式可以廉价地规模化地得到量子点. 这个领域的先驱是 Louis E. Brus. 下图是通过这种方式合成的 CdSe 的 TEM 图像:

这类量子点最大的应用是荧光. 由于量子点的能级是分立的, 电子在这些能级之间跃迁将会发出特定波长的光. 而分立的能级间距又由量子点的大小决定, 因此不同尺寸的量子点将会发出不同颜色的荧光. 同样是 CdSe 的量子点, 其发出的荧光颜色随其大小的变化如下图: 这类量子点最大的应用是荧光. 由于量子点的能级是分立的, 电子在这些能级之间跃迁将会发出特定波长的光. 而分立的能级间距又由量子点的大小决定, 因此不同尺寸的量子点将会发出不同颜色的荧光. 同样是 CdSe 的量子点, 其发出的荧光颜色随其大小的变化如下图:

容易发现量子点越小发出的荧光波长越短, 即能级差越大. 这是很容易理解的. 回忆最简单的量子力学系统: 无限深势阱, 其能级容易发现量子点越小发出的荧光波长越短, 即能级差越大. 这是很容易理解的. 回忆最简单的量子力学系统: 无限深势阱, 其能级

随势阱宽度

的变化为

.

对于这个性质的应用, 之前一个回答已经讲得很多了, 不在此赘述.

  • 自顶向下(top-down): 从高维材料出发, 通过光刻或蚀刻等手段将其限制为低维量子点. 这类量子点通常为半导体器件, 尺寸相较于之前的量子点较大, 通常为 50nm-100nm. 这种合成方法也比较昂贵, 通常需要用到 MBE 等手段. 但优点是灵活可控. 下图是通过这种方式合成的垂直半导体量子点:

这类量子点由于能级分立, 仿佛原子, 因此也被称为"人造原子"(artifical atom). 相比于真实的原子, 人们可以轻松地控制原子中的电子数量, 实现通常在原子物理中做不到的实验. 下图是在一个类似上图的垂直半导体量子点的"能谱"图: (引自 这类量子点由于能级分立, 仿佛原子, 因此也被称为"人造原子"(artifical atom). 相比于真实的原子, 人们可以轻松地控制原子中的电子数量, 实现通常在原子物理中做不到的实验. 下图是在一个类似上图的垂直半导体量子点的"能谱"图: (引自 Phys. Rev. Lett. 77, 3613 (1996))

确实可以看到分立的能级. 而且在 2,6,12 这些满壳层电子数上出现了周期性. 确实可以看到分立的能级. 而且在 2,6,12 这些满壳层电子数上出现了周期性.

(在上面的图中 V=0 但没有电流, 这很大程度上是所谓 Coulomb blockade 效应的结果. 这是量子点中一个重要的物理现象, 不在此赘述. )

人造原子可以用来实现传统的量子电子学中难以实现的功能, 比如所谓单电子晶体管(SET: single-electron transistor). 同时人造原子也是物理学家们研究凝聚态中量子多体问题有趣的 playground. 大概最著名的例子就是在 SET 中对 Kondo effect 的研究: Kondo effect in a single-electron transistor : Abstract : Nature. 不在此赘述.

量子点还有一些有趣的应用. 比如所谓分子电子学. 下图是一个典型的 molecule junction: (引自 Electron Transport in Molecular Wire Junctions)

但制备单分子的电子器件十分困难, 已有的一些实验结果被认为有很大争议. 现在这个领域已经逐渐沉寂了下来.但制备单分子的电子器件十分困难, 已有的一些实验结果被认为有很大争议. 现在这个领域已经逐渐沉寂了下来.

【RichardGu的回答(6票)】:

量子点属于一大类新材料——溶液纳米晶中的一种。溶液纳米晶具有晶体和溶液的双重性质,量子点是其中马上具有突破性工业应用的材料。

与其他纳米晶材料不同,量子点是以半导体晶体为基础的。尺寸在1~100纳米之间,每一个粒子都是单晶。量子点的名字,来源于半导体纳米晶的量子限域效应,或者量子尺寸效应。当半导体晶体小到纳米尺度(1纳米大约等于头发丝宽度的万分之一),不同的尺寸就可以发出不同颜色的光。比如硒化镉这种半导体纳米晶,在2纳米时发出的是蓝色光,到8纳米的尺寸时发出的就是红色光,中间的尺寸则呈现绿色黄色橙色等等。量子点的化学成分,发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区,而且色纯度高、连续可调。

量子点可以应用在生物医疗领域。我们能用量子点把细胞的骨架完全显示出来。与其它种类的检测手段相比,量子点发光材料做检测肯定是有优势的。我们可以很容易地利用量子点的不同颜色来同时检测多种病菌或者农药残留。而且,因为量子点吸收能力非常大,能够大大提高灵敏度。

量子点也能应用于照明产业。目前照明消耗的能量大致相当于电能的20%。但人造光源的光效率是很低的。例如,照明质量高的白炽灯,光效只有2%。如果能把效率提高到20%,就意味着能节省能源消耗的20%。美国能源部的固态照明路线图写了一段话:量子点在人类照明领域将起到重要作用。

另外,还有显示产业。目前的第一代量子点显示设备,是氮化镓LED与量子点结合的背光源产品,纳晶公司和美国两家高科技公司都已经进入商业化阶段。这种新型的背光源,让显示颜色的纯度、色饱和度很高,是其它显示技术难以企及的。

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