量子點(diǎn)

概念

　　量子點(diǎn)(quantumdots，QDs)是由有限數(shù)目的原子組成，三個(gè)維度尺寸均在納米數(shù)量級(jí)。量子點(diǎn)一般為球形或類(lèi)球形，是由半導(dǎo)體材料(通常由IIB～ⅥA或IIIA～VA元素組成)制成的、穩(wěn)定直徑在2～20 nm的納米粒子。量子點(diǎn)是在納米尺度上的原子和分子的集合體，既可由一種半導(dǎo)體材料組成，如由IIB．VIA族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIA．VA族元素(如InP、InAs等)組成，也可以由兩種或兩種以上的半導(dǎo)體材料組成。作為一種新穎的半導(dǎo)體納米材料，量子點(diǎn)具有許多獨(dú)特的納米性質(zhì)。

基本介紹

　　量子點(diǎn)（英語(yǔ)：Quantum Dot）是在把導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子在三個(gè)空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)，電子運(yùn)動(dòng)在三維空間都受到了限制，因此有時(shí)被稱(chēng)為“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子點(diǎn)原子”，是20世紀(jì)90年代提出來(lái)的一個(gè)新概念。這種約束可以歸結(jié)于靜電勢(shì)（由外部的電極，摻雜，應(yīng)變，雜質(zhì)產(chǎn)生），兩種不同半導(dǎo)體材料的界面（例如：在自組量子點(diǎn)中），半導(dǎo)體的表面（例如：半導(dǎo)體納米晶體），或者以上三者的結(jié)合。量子點(diǎn)具有分離的量子化的能譜。所對(duì)應(yīng)的波函數(shù)在空間上位于量子點(diǎn)中，但延伸于數(shù)個(gè)晶格周期中。一個(gè)量子點(diǎn)具有少量的（1-100個(gè)）整數(shù)個(gè)的電子、空穴或空穴電子對(duì)，即其所帶的電量是元電荷的整數(shù)倍。

　　量子點(diǎn)，又可稱(chēng)為納米晶，是一種由II－VI族或III－V族元素組成的納米顆粒。量子點(diǎn)的粒徑一般介于1～10nm之間，由于電子和空穴被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射熒光?；诹孔有?yīng)，量子點(diǎn)在太陽(yáng)能電池，發(fā)光器件，光學(xué)生物標(biāo)記等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)明許多不同的方法來(lái)制造量子點(diǎn)，并預(yù)期這種納米材料在二十一世紀(jì)的納米電子學(xué)(nanoelectronics)上有極大的應(yīng)用潛力。

　　小的量子點(diǎn),例如膠狀半導(dǎo)體納米晶,可以小到只有2到10個(gè)納米,這相當(dāng)于10到50個(gè)原子的直徑的尺寸,在一個(gè)量子點(diǎn)體積中可以包含100到100,000個(gè)這樣的原子.自組裝量子點(diǎn)的典型尺寸在10到50 納米之間。通過(guò)光刻成型的門(mén)電極 或者刻蝕半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣形成的量子點(diǎn)橫向尺寸可以超過(guò)100納米。將10納米尺寸的三百萬(wàn)個(gè)量子點(diǎn)首尾 相接排列起來(lái)可以達(dá)到人類(lèi)拇指的寬度。

制備方法

　　經(jīng)過(guò)十余年的不斷改進(jìn)，迄今建立了多種量子點(diǎn)的制備方法，主要有物理方法和化學(xué)方法，以化學(xué)方法為主。當(dāng)前，量子點(diǎn)的軟化學(xué)制備方法有兩種：一種是采用膠體化學(xué)的方法在有機(jī)體系中合成，另一種是在水溶液中合成。

　　金屬有機(jī)合成法

　　量子點(diǎn)的研究是20世紀(jì)90年代最早從鑲嵌在玻璃中的CdSe量子點(diǎn)開(kāi)始的。CdSe納米晶體的制備是一個(gè)最成功的例子。1993年，Bawendi等第一次使用二甲基鎘(Cd(CH3)2)、三辛基硒化膦(SeTOP)作為前體，三辛基氧化膦(TOPO)作為配位溶劑，合成了高效發(fā)光的硒化鎘(CdSe)量子點(diǎn)，由于CdSe納米顆粒不溶于甲醇，可以加入過(guò)量甲醇，通過(guò)離心分離得到CdSe納米顆粒，其量子產(chǎn)率約為10%。

　　水相直接合成法

　　在水相中直接合成量子點(diǎn)具有操作簡(jiǎn)便、重復(fù)性高、成本低、表面電荷和表面性質(zhì)可控，容易引入功能性基團(tuán)，生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，其優(yōu)良的性能有望成為一種有發(fā)展?jié)摿Φ纳餆晒馓结槨．?dāng)前，水相直接合成水溶性量子點(diǎn)技術(shù)主要以水溶性巰基試劑作穩(wěn)定劑。

　　近些年來(lái)又發(fā)展了用其它類(lèi)型試劑做穩(wěn)定劑制備水溶性量子點(diǎn)的方法，Sondi等用氨基葡聚糖(aminodextran，Amdex)作穩(wěn)定劑，在室溫下合成了CdSe量子點(diǎn)。[1]

研究歷史

　　現(xiàn)代量子點(diǎn)技術(shù)要追溯到上世紀(jì)70年代中期，它是為了解決全球能源危機(jī)而發(fā)展起來(lái)的。通過(guò)光電化學(xué)研究，開(kāi)發(fā)出半導(dǎo)體與液體之間的結(jié)合面，以利用納米晶體顆粒優(yōu)良的體表面積比來(lái)產(chǎn)生能量。初期研究始于上世體80年代早期2個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家:貝爾實(shí)驗(yàn)室的Louis Brus博士和前蘇聯(lián)Yoffe研究所的Alexander Efros和Victor.I.Klimov博士。Brus博士與同事發(fā)現(xiàn)不同大小的硫化鎘顆?？僧a(chǎn)生不同的顏色。這個(gè)工作對(duì)了解量子限域效應(yīng)很有幫助，該效應(yīng)解釋了量子點(diǎn)大小和顏色之間的相互關(guān)系，也同時(shí)也為量子點(diǎn)的應(yīng)用鋪平了道路。

　　1997年以來(lái)，隨著量子點(diǎn)制備技術(shù)的不斷提高，量子點(diǎn)己越來(lái)越可能應(yīng)用于生物學(xué)研究。1998年，Alivisatos和Nie兩個(gè)研究小組分別在Science上發(fā)表有關(guān)量子點(diǎn)作為生物探針的論文，首次將量子點(diǎn)作為生物熒光標(biāo)記，并且應(yīng)用于活細(xì)胞體系，他們解決了如何將量子點(diǎn)溶于水溶液，以及量子點(diǎn)如何通過(guò)表面的活性基團(tuán)與生物大分子偶聯(lián)的問(wèn)題，由此掀起了量子點(diǎn)的研究熱潮。

類(lèi)型劃分

　　量子點(diǎn)按其幾何形狀，可分為箱形量子點(diǎn)、球形量子點(diǎn)、四面體量子點(diǎn)、柱形量子點(diǎn)、立方量子點(diǎn)、盤(pán)形量子點(diǎn)和外場(chǎng)（電場(chǎng)和磁場(chǎng)）誘導(dǎo)量子點(diǎn)；按其電子與空穴的量子封閉作用，量子點(diǎn)可分為1型量子點(diǎn)和2型量子點(diǎn)；按其材料組成，量子點(diǎn)又可分為元素半導(dǎo)體量子點(diǎn)，化合物半導(dǎo)體量子點(diǎn)和異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)。此外，原子及分子團(tuán)簇、超微粒子和多孔硅等也都屬于量子點(diǎn)范疇。

主要性質(zhì)

　　(l)量子點(diǎn)的發(fā)射光譜可以通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸大小來(lái)控制。通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸和它的化學(xué)組成可以使其發(fā)射光譜覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)。以CdTe量子為例，當(dāng)它的粒徑從2.5nm生長(zhǎng)到4.0nm時(shí)，它們的發(fā)射波長(zhǎng)可以從510nm紅移到660nm

　　(2)量子點(diǎn)具有很好的光穩(wěn)定性。量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度比最常用的有機(jī)熒光材料“羅丹明6G”高20倍，它的穩(wěn)定性更是“羅丹明6G”的100倍以上。因此，量子點(diǎn)可以對(duì)標(biāo)記的物體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀察，這也為研究細(xì)胞中生物分子之間長(zhǎng)期相互作用提供了有力的工具。

　　(3)量子點(diǎn)具有寬的激發(fā)譜和窄的發(fā)射譜。使用同一激發(fā)光源就可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒徑的量子點(diǎn)進(jìn)行同步檢測(cè)，因而可用于多色標(biāo)記，極大地促進(jìn)了熒光標(biāo)記在中的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料的激發(fā)光波長(zhǎng)范圍較窄，不同熒光染料通常需要多種波長(zhǎng)的激發(fā)光來(lái)激發(fā)，這給實(shí)際的研究工作帶來(lái)了很多不便。此外，量子點(diǎn)具有窄而對(duì)稱(chēng)的熒光發(fā)射峰，且無(wú)拖尾，多色量子點(diǎn)同時(shí)使用時(shí)不容易出現(xiàn)光譜交疊。

　　(4)量子點(diǎn)具有較大的斯托克斯位移。量子點(diǎn)不同于有機(jī)染料的另一光學(xué)性質(zhì)就是寬大的斯托克斯位移，這樣可以避免發(fā)射光譜與激發(fā)光譜的重疊，有利于熒光光譜信號(hào)的檢測(cè)。

　　(5)生物相容性好。量子點(diǎn)經(jīng)過(guò)各種化學(xué)修飾之后，可以進(jìn)行特異性連接，其細(xì)胞毒性低，對(duì)生物體危害小，可進(jìn)行生物活體標(biāo)記和檢測(cè)。

　　(6)量子點(diǎn)的熒光壽命長(zhǎng)。有機(jī)熒光染料的熒光壽命一般僅為幾納秒(這與很多生物樣本的自發(fā)熒光衰減的時(shí)間相當(dāng)）。而量子點(diǎn)的熒光壽命可持續(xù)數(shù)十納秒（20ns一50ns)，這使得當(dāng)光激發(fā)后，大多數(shù)的自發(fā)熒光已經(jīng)衰變，而量子點(diǎn)熒光仍然存在，此時(shí)即可得到無(wú)背景干擾的熒光信號(hào)。

　　總而言之，量子點(diǎn)具有激發(fā)光譜寬且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜窄而對(duì)稱(chēng)，顏色可調(diào)，光化學(xué)穩(wěn)定性高，熒光壽命長(zhǎng)等優(yōu)越的熒光特性，是一種理想的熒光探針。

量子點(diǎn)的物理效應(yīng)

　　量子點(diǎn)獨(dú)特的性質(zhì)基于它自身的量子效應(yīng)，當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，尺寸限域?qū)⒁鸪叽缧?yīng)、量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)，從而派生出納米體系具有常觀體系和微觀體系不同的低維物性，展現(xiàn)出許多不同于宏觀體材料的物理化學(xué)性質(zhì)，在非線形光學(xué)、磁介質(zhì)、催化、醫(yī)藥及功能材料等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)將對(duì)生命科學(xué)和信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及物質(zhì)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究發(fā)生深刻的影響。

　　量子尺寸效應(yīng)

　　通過(guò)控制量子點(diǎn)的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸，就可以方便地調(diào)節(jié)其能隙寬度、激子束縛能的大小以及激子的能量藍(lán)移等電子狀態(tài)。隨著量子點(diǎn)尺寸的逐漸減小，量子點(diǎn)的光吸收譜出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象。尺寸越小，則譜藍(lán)移現(xiàn)象也越顯著，這就是人所共知的量子尺寸效應(yīng)。

　　表面效應(yīng)

　　表面效應(yīng)是指隨著量子點(diǎn)的粒徑減小，大部分原子位于量子點(diǎn)的表面，量子點(diǎn)的比表面積隨粒徑減小而增大。由于納米顆粒大的比表面積，表面相原子數(shù)的增多，導(dǎo)致了表面原子的配位不足、不飽和鍵和懸鍵增多．使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。這種表面效應(yīng)將引起納米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和結(jié)構(gòu)型的變化，同時(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。表面缺陷導(dǎo)致陷阱電子或空穴，它們反過(guò)來(lái)會(huì)影響量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)、引起非線性光學(xué)效應(yīng)。金屬體材料通過(guò)光反射而呈現(xiàn)出各種特征顏色，由于表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)使納米金屬顆粒對(duì)光反射系數(shù)顯著下降，通常低于1%，因而納米金屬顆粒一般呈黑色，粒徑越小，顏色越深，即納米顆粒的光吸收能力越強(qiáng)，呈現(xiàn)出寬頻帶強(qiáng)吸收譜。

　　介電限域效應(yīng)

　　由于量子點(diǎn)與電子的De Broglie波長(zhǎng)、相干波長(zhǎng)及激子Bohr半徑可比擬，電子局限在納米空間，電子輸運(yùn)受到限制，電子平均自由程很短，電子的局域性和相干性增強(qiáng)，將引起量子限域效應(yīng)。對(duì)于量子點(diǎn)，當(dāng)粒徑與Wannier激子Bohr半徑aB相當(dāng)或更小時(shí)，處于強(qiáng)限域區(qū)，易形成激子，產(chǎn)生激子吸收帶。隨著粒徑的減小，激子帶的吸收系數(shù)增加，出現(xiàn)激子強(qiáng)吸收。由于量子限域效應(yīng)，激子的最低能量向高能方向移動(dòng)即藍(lán)移。最新的報(bào)道表面，日本NEC已成功地制備了量子點(diǎn)陣，在基底上沉積納米島狀量子點(diǎn)陣列。當(dāng)用激光照射量子點(diǎn)使之激勵(lì)時(shí)，量子點(diǎn)發(fā)出藍(lán)光，表明量子點(diǎn)確實(shí)具有關(guān)閉電子的功能的量子限域效應(yīng)。當(dāng)量子點(diǎn)的粒徑大于Waboer激子Bohr半徑嶺時(shí)，處于弱限域區(qū)，此時(shí)不能形成激子，其光譜是由干帶間躍遷的一系列線譜組成。

　　量子隧道效應(yīng)

　　傳統(tǒng)的功能材料和元件，其物理尺寸遠(yuǎn)大于電子自由程，所觀測(cè)的是群電子輸運(yùn)行為，具有統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，所描述的性質(zhì)主要是宏觀物理量．當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時(shí)，必須要考慮量子隧道效應(yīng)。100nm被認(rèn)為是微電子技術(shù)發(fā)展的極限，原因是電子在納米尺度空間中將有明顯的波動(dòng)性，其量子效應(yīng)將起主要功能．電子在納米尺度空間中運(yùn)動(dòng)，物理線度與電子自由程相當(dāng)，載流子的輸運(yùn)過(guò)程將有明顯電子的波動(dòng)性，出現(xiàn)量子隧道效應(yīng)，電子的能級(jí)是分立的．利用電子的量子效應(yīng)制造的量子器件，要實(shí)現(xiàn)量子效應(yīng)，要求在幾個(gè)μm到幾十個(gè)μm的微小區(qū)域形成納米導(dǎo)電域。電子被“鎖”在納米導(dǎo)電區(qū)域，電子在納米空間中顯現(xiàn)出的波動(dòng)性產(chǎn)生了量子限域效應(yīng)。納米導(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的量子墊壘，當(dāng)電壓很低時(shí)，電子被限制在納米尺度范圍運(yùn)動(dòng)，升高電壓可以使電子越過(guò)納米勢(shì)壘形成費(fèi)米電子海，使體系變?yōu)閷?dǎo)電．電子從一個(gè)量子阱穿越量子墊壘進(jìn)入另一個(gè)量子阱就出現(xiàn)了量子隧道效應(yīng)，這種絕緣到導(dǎo)電的臨界效應(yīng)是納米有序陣列體系的特點(diǎn)。

　　庫(kù)侖阻塞效應(yīng)

　　當(dāng)一個(gè)量子點(diǎn)與其所有相關(guān)電極的電容之和足夠小的時(shí)候，只要有一個(gè)電子進(jìn)入量子點(diǎn)，系統(tǒng)增加的靜電能就會(huì)遠(yuǎn)大于電子熱運(yùn)動(dòng)能力，這個(gè)靜電能將阻止隨后的第二個(gè)電子進(jìn)入同一個(gè)量子點(diǎn)，這就是庫(kù)侖阻塞效應(yīng)。

應(yīng)用前景

　　生命科學(xué)

　　很多現(xiàn)代發(fā)光材料和器件都由半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，材料形成的量子點(diǎn)尺寸都與過(guò)去常用的染料分子的尺寸接近，因而象熒光染料一樣對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究有很大用途。從生物體系的發(fā)光標(biāo)記物的差別上講，量子點(diǎn)由于量子力學(xué)的奇妙規(guī)則而具有顯著的尺寸效應(yīng)，基本上高于特定域值的光都可吸收，而一個(gè)有機(jī)染料分子只有在吸收合適能量的光子后才能從基態(tài)升到較高的激發(fā)態(tài)，所用的光必須是精確的波長(zhǎng)或顏色，這明顯與半導(dǎo)體體相材料不同，而量子點(diǎn)要吸收所有高于其帶隙能量的光子，但所發(fā)射的光波長(zhǎng)（即顏色）又非常具有尺寸依賴性。所以，單一種類(lèi)的納米半導(dǎo)體材料就能夠按尺寸變化產(chǎn)生一個(gè)發(fā)光波長(zhǎng)不同的、顏色分明的標(biāo)記物家族，這是染料分子根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

　　與傳統(tǒng)的染料分子相比，量子點(diǎn)確實(shí)具有多種優(yōu)勢(shì)。無(wú)機(jī)微晶能夠承受多次的激發(fā)和光發(fā)射，而有機(jī)分子卻會(huì)分解．持久的穩(wěn)定性可以讓研究人員更長(zhǎng)時(shí)間地觀測(cè)細(xì)胞和組織，并毫無(wú)困難地進(jìn)行界面修飾連接”。量子點(diǎn)最大的好處是有豐富的顏色。生物體系的復(fù)雜性經(jīng)常需要同時(shí)觀察幾種組分，如果用染料分子染色，則需要不同波長(zhǎng)的光來(lái)激發(fā)，而量子點(diǎn)則不存在這個(gè)問(wèn)題，使用不同大小（進(jìn)而不同色彩）的納米晶體來(lái)標(biāo)記不同的生物分子。使用單一光源就可以使不同的顆粒能夠被即時(shí)監(jiān)控。量子點(diǎn)特殊的光學(xué)性質(zhì)使得它在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應(yīng)用前景。

　　半導(dǎo)體器件

　　半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長(zhǎng)和性質(zhì)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，目前最常用的制備量子點(diǎn)的方法是自組織生長(zhǎng)方式。

　　量子點(diǎn)中低的態(tài)密度和能級(jí)的尖銳化，導(dǎo)致了量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)其中的載流子產(chǎn)生三維量子限制效應(yīng)，從而使其電學(xué)性能和光學(xué)性能發(fā)生變化，而且量子點(diǎn)在正入射情況下能發(fā)生明顯的帶內(nèi)躍遷。這些性質(zhì)使得半導(dǎo)體量子點(diǎn)在單電子器件、存貯器以及各種光電器件等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

　　基于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)制成的半導(dǎo)體單電子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人們的關(guān)注。 “半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料及量子點(diǎn)激光器”是半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)前沿性課題。這項(xiàng)工作獲得了突破性進(jìn)展，于2000年4月19日通過(guò)中國(guó)科學(xué)院科技成果鑒定。半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)材料是一種人工改性的新型半導(dǎo)體低維材料，基于它的量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿和庫(kù)侖阻塞以及非線性光學(xué)效應(yīng)等是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)，在未來(lái)的納米電子學(xué)、光電子學(xué)和新一代超大規(guī)模集成電路等方面有著極其重要的應(yīng)用前景。采用應(yīng)變自組裝方法直接生長(zhǎng)量子點(diǎn)材料，可將量子點(diǎn)的橫向尺寸縮小到幾十納米之內(nèi)，接近縱向尺寸，并可獲得無(wú)損傷、無(wú)位借的量子點(diǎn)，現(xiàn)已成為量子點(diǎn)材料制備的重要手段之一；其不足之處是量子點(diǎn)的均勻性不易控制。 以量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的量子點(diǎn)激光器理論上具有更低的閾值電流密度、更高的光增益、更高的特征溫度和更寬的調(diào)制帶寬等優(yōu)點(diǎn)，將使半導(dǎo)體激光器的性能有一個(gè)大的飛躍，對(duì)未來(lái)半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)的發(fā)展方向影響巨大。近些年，歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家都開(kāi)展了應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)材料和量子點(diǎn)激光器的研究，取得了很大進(jìn)展。

　　除了采用量子點(diǎn)材料研制邊發(fā)射、面發(fā)射激光器外，在其他的光電子器件上量子點(diǎn)也得到了廣泛的應(yīng)用。

概念辨析

　　量子點(diǎn)不是點(diǎn)

　　丹麥科技大學(xué)光電工程系(DTU)量子光學(xué)研究小組和哥本哈根大學(xué)尼爾斯·波爾研究所的科學(xué)家共同發(fā)現(xiàn)，固體光子發(fā)射器發(fā)出的光，也就是所謂的量子點(diǎn)并不是點(diǎn)，這與科學(xué)家以前一直認(rèn)識(shí)的不同，這讓科學(xué)界非常吃驚。新發(fā)現(xiàn)可能有助于改進(jìn)量子信息設(shè)備的效率，該研究發(fā)表在19日出版的《自然·物理學(xué)》雜志上。當(dāng)前，科學(xué)家能夠制造和定制高效的、每次發(fā)射一個(gè)光子(光線當(dāng)前本組成單元)的光源發(fā)射器?？茖W(xué)家將這樣的發(fā)射器稱(chēng)為量子點(diǎn)，其包含數(shù)千個(gè)原子。以前，科學(xué)家認(rèn)為，量子點(diǎn)是三個(gè)維度的尺寸都在100納米以下，外觀恰似一很小的點(diǎn)狀物。但當(dāng)前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子點(diǎn)不能被描述成光線的點(diǎn)源，因此，科學(xué)家得出了一個(gè)令人吃驚的結(jié)論：量子點(diǎn)不是點(diǎn)?？茖W(xué)家在實(shí)驗(yàn)中將量子點(diǎn)放置在一面金屬鏡子附近，并記錄了量子點(diǎn)發(fā)射出來(lái)的光子的情況。不管是否上下翻轉(zhuǎn)，光線的點(diǎn)源(光子)都應(yīng)該擁有同樣的性質(zhì)，科學(xué)家認(rèn)為量子點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。但結(jié)果表明，情況并非如此，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子點(diǎn)的方位不同，其發(fā)射出的光子數(shù)也不同。這個(gè)實(shí)驗(yàn)性的發(fā)現(xiàn)同新的光—物質(zhì)交互理論非常契合，該理論由DTU的研究人員和尼爾斯·波爾研究所的安德斯·索倫森所研發(fā)。該理論考慮了量子點(diǎn)在立體空間的擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)中金屬鏡子的表面存在著高度受限的等離子激元。等離子激元光子學(xué)是一個(gè)非常活躍和富有前景的研究領(lǐng)域，等離子激元中高度受限的光子可以應(yīng)用于量子信息科學(xué)或太陽(yáng)能捕獲等領(lǐng)域。等離子激元受到強(qiáng)烈的限制也暗示著，量子點(diǎn)發(fā)出的光子能被大大地改變，量子點(diǎn)非常可能激活等離子激元。當(dāng)前的工作已經(jīng)證明，科學(xué)家可以更有效地激活等離子激元。因此，量子點(diǎn)可以被擴(kuò)展到超越原子維度的更大的維度，這表明，量子點(diǎn)能同等離子激元更有效地交互作用。這項(xiàng)工作可能為利用量子點(diǎn)的立體維度的新的納米光子器件鋪平道路。新的效應(yīng)在光子晶體、腔量子電動(dòng)力學(xué)，以及光捕捉等其他研究領(lǐng)域也具有非常重要的作用 。

超小黑磷量子點(diǎn)研發(fā)成功

　　中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員喻學(xué)鋒課題組與香港城市大學(xué)教授朱劍豪、深圳大學(xué)教授張晗合作，成功研發(fā)出新型的超小黑磷量子點(diǎn)，并應(yīng)用于腫瘤的光熱治療。相關(guān)研究近日被《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》以封面報(bào)道形式發(fā)表。[2]

　　黑磷是白磷經(jīng)高溫高壓后得到的黑色惰性同素異形體，它有著類(lèi)似但不同于石墨烯片層裝結(jié)構(gòu)的波形層狀結(jié)構(gòu)，并且具備石墨烯所沒(méi)有的半導(dǎo)體間隙。更重要的是它的半導(dǎo)體帶隙是直接帶隙，即電子導(dǎo)電能帶（導(dǎo)帶）底部和非導(dǎo)電能帶（價(jià)帶）頂部在同一位置。這意味著黑磷和光可以直接耦合。[2]

　　課題組巧妙采用聯(lián)合探頭超聲和水浴超聲的液態(tài)剝離方法，可控制備二維層狀黑磷量子點(diǎn)，得到橫向尺寸約為2.6 納米的單原子層厚度黑磷量子點(diǎn)。通過(guò)檢測(cè)這種超小的黑磷量子點(diǎn)的光學(xué)屬性和對(duì)不同細(xì)胞系生存率的影響，發(fā)現(xiàn)其展示了優(yōu)異的近紅外光學(xué)性能，在808 納米的光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到28.4%，在近紅外激光的照射下能夠顯著殺死腫瘤細(xì)胞，并且在多種細(xì)胞系中均展現(xiàn)出良好的生物相容性。[2]

　　據(jù)介紹，二維層狀結(jié)構(gòu)的超小黑磷量子點(diǎn)作為另一種形式的二維材料展現(xiàn)了獨(dú)特的光學(xué)屬性，同時(shí)因?yàn)榱资巧矬w內(nèi)必需的元素，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此黑磷量子點(diǎn)作為高效光熱制劑用于癌癥治療擁有巨大的潛力。。