量子点
量子点和纳米材料
量子点和纳米材料随着科技的不断发展，量子点和纳米材料逐渐走入了人们的视野。
这两种材料具有独特的物理和化学性质，对于现代科学、技术和工业领域都有着重要的应用。
本文将对量子点和纳米材料的定义、特性以及应用进行详细的介绍。
一、量子点量子点是一种纳米尺寸的半导体材料，其尺寸在1到100纳米之间。
量子点的尺寸几乎与其内部电子结构无关，而主要受到其几何形状的限制。
由于量子效应的存在，量子点的电子能级是离散的，而不是连续的。
这种尺寸效应赋予了量子点独特的光学和电学性质。
量子点的光学性质主要体现在其对光的吸收和发射上。
由于电子能级的离散性，量子点的能带宽度变窄，使其能够吸收和发射特定波长的光。
这种特性使得量子点能够用于LED显示器、太阳能电池和荧光标记等领域。
此外，量子点还具有优异的电学性质。
量子点的载流子通量和载流子迁移速率高于传统的半导体材料，使其在光电器件、传感器和太阳能光伏等方面具有广泛的应用潜力。
二、纳米材料纳米材料是指具有纳米尺度（1到100纳米）的尺寸特征的材料。
纳米尺度的几何限制和表面效应导致纳米材料具有与其宏观对应物性质迥异的性能。
纳米材料可以分为无机纳米材料和有机纳米材料两类。
1. 无机纳米材料无机纳米材料主要包括纳米金属、纳米氧化物、纳米半导体等。
这些材料具有较大的比表面积、较短的空气扩散距离和高的活性，使其在催化、传感、能量储存等领域具有广泛的应用。
纳米金属材料的表面电子结构往往与其宏观对应物不同，导致其光学、电学和化学性质发生变化。
纳米金属粉末由于其较大的比表面积和较小的粒径，展现出优异的催化性能，可用于氢能源、汽车尾气净化和化学催化等领域。
纳米氧化物材料具有较高的比表面积和较短的扩散距离，使其在传感和催化领域表现出独特的性能。
纳米氧化物材料可以应用于环境监测、智能传感器和水处理等方面。
2. 有机纳米材料有机纳米材料是一类由有机分子自组装形成的纳米结构。
这些材料具有良好的可溶性、可加工性和机械柔韧性，广泛应用于柔性电子器件、生物传感器和光电器件等领域。
量子点 课件
量子点课件量子点是一种微观领域中非常有趣和有潜力的材料。
它们是纳米尺度下的半导体结构，具有特殊的电子能级结构和光学性质。
量子点的研究和应用领域非常广泛，涉及到光电子学、生物医学、能源等多个领域。
首先，让我们来了解一下量子点的基本概念和性质。
量子点是由几十个到几百个原子组成的纳米结构，其尺寸通常在1到10纳米之间。
由于尺寸的限制，量子点的电子能级会发生量子限制效应，导致其光学和电学性质与宏观材料有很大的不同。
量子点的尺寸越小，其能级间隔越大，能级间的跃迁所对应的光谱也越宽。
这使得量子点在光电子学中具有很大的潜力，例如用于光电转换、发光二极管等。
其次，量子点还具有很强的荧光性质。
当量子点受到光的激发时，电子会从基态跃迁到激发态，然后再通过辐射跃迁回到基态，释放出特定波长的光。
由于量子点的能级结构和尺寸可以调控，因此可以通过改变量子点的尺寸和组成来调节其发光波长。
这种特性使得量子点在生物医学中有很大的应用潜力，例如用于生物标记、荧光成像等。
除了光学性质外，量子点还具有很强的电学性质。
由于量子点的尺寸小，其表面积相对较大，因此可以提供更多的活性位点，有利于电子传输。
这使得量子点在太阳能电池、电化学催化等领域具有广阔的应用前景。
例如，将量子点作为太阳能电池的吸光层，可以提高光电转换效率；将量子点作为电化学催化剂，可以促进氢气产生反应等。
此外，量子点还可以通过掺杂或合金化来改变其性质。
通过掺杂不同的原子或合金化，可以调节量子点的能带结构和能级分布，从而实现对其光学和电学性质的调控。
这种调控性使得量子点在材料科学中具有很大的潜力，例如用于制备高效的光电子器件、催化剂等。
总结起来，量子点是一种非常有趣和有潜力的材料，具有特殊的电子能级结构和光学性质。
其在光电子学、生物医学、能源等领域有广泛的应用前景。
通过调节量子点的尺寸、组成和结构，可以实现对其性质的精确调控。
随着对量子点的深入研究和理解，相信它们将会在未来的科技领域发挥越来越重要的作用。
关于量子点的相关知识综述
关于量子点的相关知识综述量子点（Quantum Dots）是指粒子直径尺寸小于激子波尔半径且具有明显量子效应的半导体纳米结构，也被称作半导体纳米晶。
它既可以由一种半导体材料制成，例如由Ⅱ-Ⅵ族元素（CdTe、CdS、ZnSe、CdSe等）或Ⅲ-Ⅴ族元素（InAs、InP等）组成，也可以由两种及两种以上的半导体纳米材料组成。
作为一种新型的半导体纳米材料，量子点具有很多优良的特性。
1.量子点的性质（1）量子点的发射光谱能够通过改变量子点的粒子尺寸大小来控制。
通过改变量子点的化学组成成分和粒径大小能够使其发射光谱遍布整个可见光区。
利用量子点的这一性质可以制备荧光光谱特征不同的量子点。
（2）量子点有着很好的光稳定性相比于传统的荧光试剂。
量子点的荧光强度和稳定性比起传统有机荧光材料罗丹明6G强好几十倍以上。
因此量子点在生物标记方面有着广泛的应用，为研究长期相互作用的分子之间提供了重要的作用。
（3）量子点同时具有宽且连续的激发光谱和窄的发射光谱。
利用同一激发光源即可对不同尺寸的量子点进行同步检测，因此可以用作多色标记，极大地促进和发挥了荧光标记的应用。
（4）量子点具有较大的期托克斯位移[8]。
期托克斯位移（Stokes shift）是指量子点的最大紫外吸收峰位与荧光发射峰位所对应的波长之间的差值。
量子点的另一个优异的光学性质就是其具有宽的期托克斯位移，这是量子点显著的光谱特性，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。
图1 斯托克斯位移示意图（5）量子点有着极好的生物相容性。
量子点经过各种化学修饰以后，不但能够提高它的光稳定性和量子产率[9, 10]，而且有利于进行特异性结合，另外其毒性较低，对其他生物体的危害小，可以进行生物活体的标记和检测。
（6）量子点具有很长的荧光寿命。
量子点的荧光寿命可持续数十纳秒，相比于有机荧光染料的寿命几纳秒[11]长很多，当进行光激发以后，多数物质的自发荧光会发生衰变，而量子点的荧光却依旧存在，此时即可采集到无背景干扰的荧光信号。
量子点材料的物理和化学性质
量子点材料的物理和化学性质量子点作为一种新型纳米材料，具有很多独特的物理和化学性质，被广泛应用于生物、光电和能源等领域。
本文将从物理和化学两个方面探讨量子点材料的性质。
一、物理性质1、量子效应量子点的大小通常在1~10纳米之间，因此具有明显的量子效应。
其中最典型的就是尺寸效应。
当量子点的尺寸变得越来越小时，由于限制了电子的运动，就会导致晶格参数的变化。
此外，由于量子点的能级密度高，电子之间的相互作用增强，而束缚能也随之增大。
这些都是普通晶体所不具备的特殊性质。
2、荧光性质量子点具有独特的荧光性质，这是由于它们的电子结构特殊。
当量子点被激发时，其电子会从基态跃迁至激发态，同时释放出光的能量。
由于量子点的尺寸小到相当于一个玻色子的大小，电子之间的相互作用会导致荧光发射光谱出现禁带，从而使得不同尺寸的量子点显示出不同的荧光颜色。
这种具有窄带发射性质的荧光不仅在生物分子探测、药物诊断、环境污染探测等领域应用广泛，还可以制备出更高效、更稳定的荧光材料。
3、电学性质量子点的电学性质也非常值得关注。
尤其是对于半导体量子点，其能带结构和中心对称特性在电学器件中发挥了重大作用。
量子点的束缚能和费米能级之间的空间距离非常小，因此在外加电场的作用下能级发生改变的可能性很大。
最近，基于单个量子点的荧光从电致变性等现象已被应用于制备分子开关和量子点分子逻辑门等电学器件。
二、化学性质1、表面修饰量子点表面的化学修饰是控制其性质的一个重要因素。
对于多数量子点而言，它们的表面都是带有官能团的脂肪酸分子。
然而，这种简单的方法在某些应用中可能不够灵活或者对荧光性能有负面影响。
因此，表面修饰方法越来越多。
比如，可以通过表面离子交换或者阳离子镁离子掺杂等方法进行表面门控。
2、传递性量子点可以被用作电子、荷质子和能量的传递介质。
量子点的电子结构和荧光特性能够很好地和生物体内的物质相互作用，因此被广泛应用于生物标记、抗癌药物的选择和治疗等领域。
量子点
量子点，又称为半导体纳米晶体，由于它的优异光学性能，已经引起了科学界的广泛兴趣。
[1-3] 量子点尺寸大约为1-10纳米，它的尺寸和形状可以精确的通过反应时间、温度、配体来控制。
当量子点尺寸小于它的波尔半径的时候，量子点的连续能级开始分离，它的值最终由它的尺寸决定。
随着量子点的尺寸变小，它的能隙增加，导致发射峰位置蓝移。
由于这种量子限域效应，我们称它为“量子点”。
[4] 量子点具有优异的发光性能，比如尺寸可调的荧光发射，窄且对称的发射光谱，宽且连续的吸收光谱，极好的光稳定性。
通过调节不同的尺寸，可以获得不同发射波长的量子点。
窄且对称的荧光发射使量子点成为一种理想的多色标记的材料。
由于宽且连续的吸收光谱，用一个激光源就可以同时激发一系列波长不同荧光量子点。
量子点良好的光稳定性使它能够很好的应用于组织成像等。
相较于体相材料,半导体胶体量子点具有量子限域效应,因而表现出特殊的光学性质。
具体表现为:(1)与尺寸相关的发光性质,可以通过尺寸的调节改变量子点的性质。
相同材料的量子点,尺寸小的量子点的吸收范围和突光发射峰的波长相比于尺寸大的量子点会有蓝移。
(2)发光效率高,光学稳定性好,和有机染料相比量子点的发光性质受自由基的影响更小,因而光学稳定性更高,可以有效地抵抗光氧化。
(3)宽而又连续的的吸收光谱,和窄并且对称的发射光谱,并且量子点可以使用单一激发光激发。
窄而对称的发射光谱使量子点的发光色彩更纯。
(4)较大的斯托克斯位移,不易自萍灭,量子点之间的劳光共振能量转移较低,使劳光效率更高。
由于大多数QDs在有机相中制备，人们必须在其表面修饰上适当的亲水性基团，使之可溶，才能进一步应用到各种生化分析体系中. 常见的修饰方法有共价偶联［10］、配体交换［9］、静电吸附［11］、表面硅烷化［10］、特异性结合［2］等. 如Mioskowsk ［9］小组采取配体交换法，成功制备了形态均一、发射光位于575nm的核-壳式结构QDs，通过此法，还可将氨基、巯基等功能基团交换到QDs表面，进而拓宽QDs应用范围；此外，Johnson ［12］利用生物素与链酶亲和素之间的特异性结合，成功将生物素化的核酸适配体（aptamer）与目标DNA结合的三明治结构和链酶亲和素功能化的双色QDs偶联，实现对DNA基因组的快速、超灵敏检测。
量子点
电弧法 溶胶凝胶法
微乳法 水热法 化学沉淀法 喷雾热解法
0 3
制备方法的优缺点
量
子 点
物理方法制备的量子点具有较高的量子产率、较窄的荧光半峰宽度、 较好的单分散性和稳定性，不足之处是相关设备很贵，试剂毒性大， 这样就存在量子点的生产成本高以及操作安全性等方面存在很多缺
制
点，从而限制了它的使用范围。
当前研究比较多的是直接对有机相中制备的量 子点进行表面修饰。此外，水相合成法由于其操 作简单、价格低廉、毒性小，且对量子点表面性 质影响较小等优点，也是当前的研究热点。
0 4
2、含Zn量子点
根 据 能 带 结 构 的 不 同 ， 量 子 点 可 以 分 为 2 类 ： 窄 禁 带 量 子 点 如 CdSe(1.7eV)
子 越性。目前已经成功应用于多种研究和应用领域，包括基本的细胞成像、临床诊
点 的
断、医学成像。随着量子点质量和表面修饰技术的提高，量子点在生物成像方面
应 有着越来越广泛的应用。量子点在生物医学成像中的研究表明量子点完全可以达
用 到与传统荧光物质一样的成像效果甚至更高，尤其是其能在活细胞中长时间的跟
踪目标分子，而传统的荧光物质是根本无法完成的。研究表明，量子点正成为在
用 离子；浓度过高的话，又会降低检测的灵敏度。缓冲溶液的种类对量子
点的表面电荷有不同影响，量子点在不同的缓冲溶液中所表现出的荧光
性质也有一定的差异。
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2、量子点在生物医学领域的应用
量子点作为新型的荧光探针具有激发光波长范围宽、发射光谱宽度窄、荧光
量 强度高、稳定性好以及寿命较长等优点，这使其比传统的有机染料具有明显的优
法 Mn等。
2、量子点表面的有机修饰：量子点表面配位不足容易产生带隙表面态， 通过加入
量子点
量子点量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。
粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。
量子点，通常是一种由II一Vl族或III-V族元素组成的纳米颗粒，尺寸小于或者接近激子波尔半径（一般直径不超过10nm），具有明显的量子效应。
量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三量子点个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。
量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。
这种约束可以归结于静电势（由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生），两种不同半导体材料的界面（例如：在自组量子点中），半导体的表面（例如：半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。
量子点具有分离的量子化的能谱。
所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。
一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子、空穴或空穴电子对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。
主要性质：(l)量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。
通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。
(2)量子点具有很好的光稳定性。
量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。
因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。
(3)量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。
使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了荧光标记在中的应用。
而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给实际的研究工作带来了很多不便。
此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。
(4)量子点具有较大的斯托克斯位移。
量子点
量子点（英语：Quantum Dot）是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。
这种约束可以归结于静电势（由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生），两种不同半导体材料的界面（例如：在自组量子点中），半导体的表面（例如：半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。
量子点具有分离的量子化的能谱。
所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。
一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子、空穴或空穴电子对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。
描述：小的量子点,例如胶体半导体纳米晶,可以小到只有2到10个纳米,这相当于10到50个原子的直径的尺寸,在一个量子点体积中可以包含100到100,000个这样的原子.自组装量子点的典型尺寸在10到50 纳米之间。
通过光刻成型的门电极或者刻蚀半导体异质结中的二维电子气形成的量子点横向尺寸可以超过100纳米。
将10纳米尺寸的三百万个量子点首尾相接排列起来可以达到人类拇指的宽度。
制造：美国科学家首度利用光将胶状(colloidal)半导体量子点(quantum dot)磁化，且其生命周期远远超过先前的记录。
这个结果除了能激发更多基础研究，对于同时利用自旋与电荷的自旋电子元件(spintronics)领域，也是一项重大的进展。
直到目前，半导体只能在相当低温下呈现磁性，原因是磁化半导体纳米微粒需要靠激子(exciton)之间的磁性交互作用，但此作用的强度在30 K附近就不足以对抗热效应。
最近，华盛顿大学的Daniel Gamelin等人制造出掺杂的纳米微晶，它们的量子局限效应(quantum confinement effect)使激子具有很大的磁性交互作用，且生命周期可长达100 ns，比先前的记录200皮秒(picosecond, ps)高出很多。
研究人员利用光将激子注入胶状纳米微晶中，产生相当强的光诱发磁化(light-induced magnetization)现象。
量子点的五个应用领域
量子点的五个应用领域
量子点的五个应用领域包括：
1. 显示技术：量子点可以用于提高显示屏的色域和色彩饱和度，使得图像更加真实和细腻。
量子点显示技术已经广泛应用于电视、手机和电脑显示屏等电子产品中。
2. 光电子器件：量子点具有可调谐的光学性质，可以被用来制造光电子器件，如太阳能电池、光电传感器和激光器。
量子点光电子器件可以在能源转换和通信等领域发挥重要作用。
3. 生物医学：量子点在生物医学领域有广泛的应用，可以用作生物成像探针，实现高分辨率和高灵敏度的细胞和组织成像。
此外，量子点还可以用于药物输送和癌症治疗等领域。
4. 安全技术：量子点的发光特性可以被用于制造高安全性的防伪标记和密码技术。
量子点的独特发光颜色和光学特性可以实现防伪标记的定制化和难以仿制。
5. 量子计算：量子点可以用作量子比特的载体，实现量子计算的功能。
量子计算是一种利用量子力学特性进行计算的新型计算方式，具有更强大的计算能力和解决复杂问题的能力。
量子点的应用在量子计算领域有很大的潜力。
量子点
可以推测，CdS量子点与BSA形成复合物， 可以推测，CdS量子点与BSA形成复合物， 有效的钝化了量子点表面，减少了量子点 的表面缺陷，从而使荧光强度增强。引起 发射峰位变化的原因可能是量子点的表面 电荷数减少，从而减低了周围分子的定向 极化率，使发射光谱蓝移。
工作曲线
加入不同量的BSA，测定体系的荧光强度， 加入不同量的BSA，测定体系的荧光强度， 以荧光强度F(Fluorescence)对BSA浓度c 以荧光强度F(Fluorescence)对BSA浓度c作 图，实验表明，F BSA浓度在0.00143— 图，实验表明，F对BSA浓度在0.00143— 0.250mg•ml 0.250mg•ml-1范围内呈良好线性关系，回归 方程为F=5444.301+43327.38803c，相关系 方程为F=5444.301+43327.38803c，相关系 数r=0.9966，检出限为0.0014 mg•ml-1。 r=0.9966，检出限为0.0014 mg•ml
量子点 简要论述
1.1纳米粒子 1.1纳米粒子
纳米粒子是指颗粒尺寸为纳米量级的超微粒子， 尺寸一般在1 100nm之间。可做成光、电、磁敏 尺寸一般在1—100nm之间。可做成光、电、磁敏 感材料和催化剂外，还可做成由5 50nm的纳米 感材料和催化剂外，还可做成由5—50nm的纳米 粒子在高真空下原位压制的纳米材料，或制成纳 米粒子涂层，或根据纳米粒子的特性设计成紫外 反射涂层、红外吸收涂层、微薄隐身涂层，以及 其他的纳米功能薄膜。
量子点与牛血红蛋白之间的 相互作用
量子点与牛血红蛋白结合时，初期量子点 的荧光强度随蛋白质的加入量的增大而增 大，随后增大幅度减小，甚至略微减低。 当结合物放置一段时间后，发现量子点荧 光强度逐渐减小，并出现凝聚现象。表现 为前两者的协同效应。
量子点的缺点
量子点的缺点
量子点是一种类似于电子的粒子,具有独特的物理性质。
尽管量子点有着广泛的应用前景,但它们也存在一些缺点。
量子点的制备难度较大。
要制备出高质量的量子点,需要精确控制实验条件,包括温度、压力、剂量等。
如果实验条件稍有不当,就会导致量子点的制备失败,从而影响其应用。
量子点的不稳定性。
量子点在存储过程中会受到外部环境的影响,导致其性质发生改变。
例如,量子点可能会被光子激发,导致其跃迁到不同的能级,从而失去原有的特性。
此外,量子点在搬运和使用过程中也容易受到碰撞和挤压等外力的影响,进一步导致其性质发生变化。
量子点的小尺寸限制。
量子点的大小通常只有几十到几百纳米,因此在某些应用中,它们的尺寸限制可能会限制其效应。
例如,在光电子学应用中,量子点的大小对光子的吸收和发射起着关键作用,但限制
了量子点在光子中的运动空间,从而限制了其对光子吸收和发射的贡献。
量子点的量子效应限制。
量子点作为一种粒子,其物理性质受到量子力学的限制。
例如,量子点不会像粒子一样连续地存在于空间中,而是呈现概率波的形式。
此外,量子点在与外部环境相互作用时,可能会出现量子纠缠、量子干涉等量子效应,这些效应也限制了量子点的某些物理性质。
尽管量子点具有广泛的应用前景,但它们也存在一些缺点。
量子点的制备难度、不稳定性、尺寸限制以及量子效应限制都限制了其在某些应用中的作用。
因此,要充分利用量子点的优势,还需要进一步研究其制备技术,提高其稳定性,扩大其尺寸范围,并深入研究其在各种物理、化学和工程中的应用前景。
量子点
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2、含Zn量子点
根 据 能 带 结 构 的 不 同 ， 量 子 点 可 以 分 为 2 类 ： 窄 禁 带 量 子 点 如 CdSe(1.7eV) CdTe(1.5eV)等；宽禁带量子点如ZnS(3.6eV)、ZnSe(2.7eV)和ZnO(3.4eV)。ZnS是一种
研 究 现 状
典型的Ⅱ-Ⅵ族半导体，属于宽禁带半导体材料。早期主要是将ZnS外延生长在CdSe 等量子点的表面，以构成一层或多层的宽带隙的无机材料，起到钝化内核表面缺陷 的作用，从而提高其荧光效率。 后来才有人将ZnS做成单独的量子点。
化学方法中研究最多的主要是水相合成法，这种方法合成的量子点 粒径均匀，成本低，绿色环保，缺点是会存在一些杂质，纯度不高。
0 3
量 子 点 制 备 方 法
金属-有机相合成：主要采用有机金属法，在高沸点的有机溶剂中利 用前驱体热解制备量子点，前驱体在高温环境下迅速热解并结成核晶 体缓慢成长为纳米晶粒。 通过配体的吸附作用阻碍晶核成长，并稳 定存在于溶剂中。 该方法制备的量子点具有尺度范围分布窄，荧光 量子产率高等优点。 但其成本较高且生物相溶性差，量子产率降低， 甚至发生完全荧光淬灭现象。 无机合成路线：目前常用水溶性硫基化合物，柠檬酸等做为保护剂在 水相中制备量子点。 硫基化合物，柠檬酸等与量子点的稳定性、功 能化有关，因此选择带有适当官能团的保护剂对于控制量子点的表面 电荷及其他表面特征极为重要。 水相合成量子点操作简便，重复性 高，成本低，表面电荷和表面性质可控，很容易引入官能团分子。量 子点质量的好坏直接关系到其应用研究的开展和研究成果的优劣。
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量 子 点
基本特性
量子尺寸效应：量子点最大的特点是能量间隙随着晶粒的增大而改变， 晶粒越大，则能量间隙越小，反之，能量间隙越大。也就是说，量子点 越小，则发光的波长越短（蓝移），量子点越大，则发光的波长越长 （红移）。根据量子点的尺寸效应，我们就可以运用改变晶粒尺寸的方 法来改变发光光谱，而不再需要改变量子点的化学组成 。 量子限域效应：量子点是由少量的原子所构成的，由于尺寸的限制，其 内部电子在各方向上的运动都受到局限，不能再自由移动，这就是所谓 的量子限域效应。正是这种效应导致了量子点会产生类似原子一样的不 连续电子能级结构，因此量子点又被称为“人造原子”。这种“人造原 子”在被激发时也不再有普通晶体的带状光谱，而具有了像原子一样极 窄的线状光谱性质，其光谱是由带间跃迁的一系列线谱组成。
量子点
• 2、水相直接合成法：
• 在水相中直接合成量子点具有操作简便、重复性高、成本低、表面电 荷和表面性质可控，容易引入功能性基团，生物相容性好等优点，已 经成为当前研究的热点，其优良的性能有望成为一种有发展潜力的生 物荧光探针。目前，水相直接合成水溶性量子点技术主要以水溶性巯 基试剂作稳定剂。
• 近年来又发展了用其它类型试剂做稳定剂制备水溶性量子点的方法， Sondi等用氨基葡聚糖(aminodextran，Amdex)作稳定剂，在室温下合 成了CdSe量子点。
• 4、在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍，发光率将提升30% 至40%。同时QLED可以达到与无机半导体材料一样的稳定性、可靠性。
主要特性：
• 1、这种技术中用到的量子点（Quantum Dots）是 一些肉眼无法看到的、极其微小的半导体纳米晶 体，晶体中的颗粒直径不足10纳米。
• (4)量子点具有较大的斯托克斯位移(指荧光光谱较相应的吸收光谱红移)。量 子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移，这样可以避 免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。
• (5)生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其 细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。
• (6)量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒(这与很多 生物样本的自发荧光衰减的时间相当）。而量子点的荧光寿命可持续数十纳 秒（20ns一50ns)，这使得当光激发后，大多数的自发荧光已经衰变，而量子 点荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。
• 总而言之，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色 可调，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光 探针。
不懂量子点？没关系-看过这篇文章就够了!
不懂量子点？没关系, 看过这篇文章就够了！什么是“量子点”?目前, 由于全人类正面临着自然资源短缺旳问题, 无法避免旳能源危机也在呼唤新材料旳诞生。
而真正具有科学意义旳新材料需要满足三个条件: 在原子和分子水平上重构物质、实现全新旳或者更好旳性能、变化人类生活方式。
量子点充足满足这三个条件, 同步更是人类有史以来发现旳最优秀发光材料。
简朴来说, 量子点是肉眼看不到旳、极其微小旳无机纳米晶体。
每当受到光或电旳刺激, 量子点便会发出有色光线, 我们所看到旳光线旳颜色由量子点旳构成材料和大小形状决定, 一般来说, 通过变化量子点晶体旳尺寸可以变化发光颜色。
举个例子, 一般量子点颗粒越小, 会吸取长波, 颗粒越大,会吸取短波。
例如2纳米大小旳量子点, 可吸取长波旳红色, 显示出蓝色。
8纳米大小旳量子点, 可吸取短波旳蓝色, 呈现出红色。
TCL从推出量子点电视以来, 正式开始了量子点在国内旳市场化试探。
特别今年推出了QUHD量子点电视之后, 更是在音画质等方面获得了重大突破, 率先推动量子点民用化、商用化和市场化落地。
“量子点”有什么用?我们都懂得, LCD面板旳成像原理可以概括为两张玻璃基板之间加入液晶分子, 通入电压后分子排列发生曲折变化, 屏幕通过电子群旳冲撞, 制造画面并通过外部光线旳透视反射来形成画面。
液晶自身并不发光, 需要配备高质量旳CCFL 冷阴极背光灯形成明亮旳图像。
随后, 背光源由CCFL改为LED背光源, 便成为了我们常说旳LED电视。
运用量子点材料旳电视是以蓝色LED为背光源, 将采用量子点旳光学材料放入背光灯与LCD面板之间, 从而可以通过拥有锋利峰值旳红、绿、蓝光获得鲜艳旳色彩。
如果您没明白旳话, 让我再换一种说法, 量子点会在LCD电视旳LED背光上形成一层薄膜, 用蓝色LED照射就能发出全光谱旳光, 从而对光线进行精细调节, 进而大幅提高色域体现, 让色彩更加鲜明。
打个或许不恰当旳比方, 老式旳LCD电视就像姑娘出门只化了裸妆, 虽然也足够美丽但脸部总显得没那么立体, 而量子点电视则像给姑娘涂上了全套彩妆, 真是赏心悦目明艳动人啊。
量子点在光电器件中的作用
量子点在光电器件中的作用量子点是一种纳米级别的半导体材料，具有特殊的光学和电学性质，被广泛应用于光电器件中。
量子点的引入不仅可以提高器件的性能，还可以拓展器件的应用领域。
本文将从量子点在光电器件中的作用角度进行探讨，介绍量子点在太阳能电池、LED显示屏和激光器件等方面的应用。
一、量子点在太阳能电池中的作用太阳能电池是将太阳光能转化为电能的器件，是清洁能源的重要组成部分。
量子点作为太阳能电池的光敏材料，具有较高的吸收系数和较窄的带隙，可以有效地提高光电转换效率。
量子点的尺寸可以通过调控来实现对吸收光谱的调节，使太阳能电池在不同波长范围内都能高效吸收光能，从而提高光电转换效率。
此外，量子点还可以有效地减小太阳能电池中的热损耗，提高器件的稳定性和寿命。
量子点的高载流子迁移率和较低的表面缺陷密度，有利于减小电荷复合损耗，提高光生载流子的分离效率，从而进一步提高太阳能电池的性能。
二、量子点在LED显示屏中的作用LED显示屏是一种新型的平面显示器件，具有亮度高、色彩饱和度高、功耗低等优点。
量子点作为LED显示屏的发光材料，可以实现更广泛的色域和更高的色彩纯度。
通过调控量子点的尺寸和成分，可以实现对发光颜色的精确调节，使LED显示屏呈现出更加真实和生动的色彩。
此外，量子点还可以提高LED显示屏的光电转换效率，降低能耗。
量子点具有较高的荧光量子效率和较窄的发射光谱，可以实现更高的光电转换效率，减少能量的损耗。
量子点还具有较长的寿命和较好的稳定性，有助于提高LED显示屏的可靠性和使用寿命。
三、量子点在激光器件中的作用激光器件是一种能够产生高亮度、高单色性和高方向性激光光束的器件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
量子点作为激光器件的增益介质，具有较高的激子增益和较窄的增益谱线，可以实现更窄的激光谱线宽度和更高的激光效率。
量子点还可以实现激光器件的波长调谐和脉冲调制。
通过调控量子点的尺寸和形貌，可以实现对激光器件的发射波长的调节，实现波长可调激光器件的制备。
量子点
量子点具有很好的 光稳定性
• 荧光强度高、稳定性好
生物相容性好
• 无毒生物活体标记和检测
量子点应用在哪些领域？
量子点应用领域
Quantum Dot
生物标记
荧光探针
光探测器
太阳能电池
LED照明、 显示
激光、光
信息技术
半导体器
件
量子点应用在哪些领域？
量子点的显示上的应用—OLED与QDLED
成本较高
成本最高，产率也最低
量子点有哪些主要特性？
发射光谱可通过改 变其化学组成和尺 寸来控制 量子点具有宽的激 发谱和窄的发射谱
Quantu• 可使其发射光谱覆盖整个可见光区
• 同一光源同步激发 • 光谱不易交叠，纯色度高
无机材料
• 比有机物稳定，可靠性行好
外延生长法
电场约束法
完全利用调控金属电极的电 势使半导体内的能级发生扭
方法
硒、硫原子合成， 胶状量子点
在一种衬底材料上长出新的
足够小的结晶，形成量子点
曲，形成对载流子的约束
优点
制作成本低，产率大，发 光效率高
很容易与半导体相结合， 电荷传输效率高
对其能级，载流子的数量 和自旋等有极高的可控性
缺点
电导率低
Quantum Dot
3M和Nanosys：嵌入了磷化铟和 镉组成的纳米尺寸球状量子点 替代荧光粉功能，将蓝光转化为红 光和绿光，使背光提高50%的色域。
在光学膜片、反射片涂层、扩散板 颗粒、导光板印刷制程中添加量子 点材料，提升显示色域。
模组图书角
Quantum Dot
OLED
可实现柔性显示
QDLED
同等画质下节能为2倍， 发光率提升30%~40%
量子点
量子点的基本知识量子点(QuantumDots,QDs)通常指半径小于或接近激子玻尔半径的半导体纳米晶。
在量子点中,载流子在三个维度上都受到势垒的约束而不能自由运动。
根据量子力学分析,量子点中的载流子在三个维度方向上的能量都是量子化的,其态密度分布为一系列的分立函数,类似于原子光谱性质,因而人们往往也把量子点称之为“人工原子”。
需要指出的是,并非小到100nm以下的材料就是量子点,真正的关键尺寸取决于电子在材料内的费米波长。
只有当三个维度的尺寸都小于一个费米波长时,才称之为量子点。
量子点独特的性质基于它自身的量子效应,当颗粒尺寸进入纳米量级时,尺寸限域将引起库仑阻塞效应、尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应,从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性,展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质,在非线形光学、生物标记、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景,同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。
(1)库仑阻塞效应由于电子(或空穴)被束缚在一个相对小的区域内,使电子(或空穴)之间的库仑作用极其显著,填充一个电子(或空穴)就要克服量子点中已有电子(或空穴)的排斥左右,因而库仑电荷效应是其另一个基本物理性质。
如果一个电子进入量子点,引起整个系统增加的静电能远大于电子热运动能量k B T,则这个静电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点,这种现象叫做库仑阻塞效应。
(2)量子尺寸效应通过控制量子点的形状、结构和尺寸,就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。
随着量子点尺寸的逐渐减小,量子点的光吸收谱出现蓝移现象。
尺寸越小,则谱蓝移现象也越显著,这就是人所共知的量子尺寸效应。
(3)量子限域效应由于量子点的表面积与粒子的大小有着较高的比例,存在量子限域效应。
所谓量子限域效应,指的是量子点的能态密度随着其尺寸大小而变,换句话说尺寸的大小决定了材料的光、电、磁特性。
量子点科普
量子点的性质和用途
• 量子点的用途相当广泛，例如： 可用于蓝光辐射、光感测元件、 单电子晶体、记忆储存、触媒 以及量子计算等，在医疗上更 利用各种光波长不同的量子点 制成荧光标签，成为生物检测 用的“纳米条码”。
量子点在生物上的应用
• 量子点通常以CdSe为核、CdS 量子点通常以CdSe为核、 为核 ZnS为壳的核 壳型纳米体， 为壳的核或ZnS为壳的核-壳型纳米体， 与传统的有机染料相比， 与传统的有机染料相比，它有 独特的性质： 其独特的性质：量子点具有较 大的斯托克位移和狭窄对称的 荧光谱
分闸法产生量子点之SEM图像
量子点的性质和用途
• 量子点可视为电子物质波的共振腔， 电子在量子点内会有类似电磁波在 一般共振腔中的共振现象。当局限 位能壁较薄时，量子点中的电子可 因为穿隧效应而逃离，我们称之为 开放式量子点，类似一个开放式共 振腔，此时电子能级不再式稳态， 而是一种准稳态，电子停留在准稳 态约一个生命周期后，就会逃离量 子点。
•
将聚合物和量子 点结合形成聚合 物微珠，微珠可 以携带不同尺寸 （颜色）的量子 点，被照射后开 始发光，经棱镜 折射后传出，形 成几种指定密度 谱线（条形码）， 这种条形码在基 因芯片和蛋白质 芯片技术中有光 明的应用前景
幻彩量子点制防伪钞票
·由于量子点的大小反射出不同 由于量子点的大小反射出不同 颜色的可见光（2nm的量子点 颜色的可见光（2nm的量子点 可反射出绿光，5nm则反射出 可反射出绿光，5nm则反射出 红光）， ），美国曼彻斯特大学化 红光），美国曼彻斯特大学化 学教授奥布赖恩有意用它来制 造新的防伪钞票上的条码。 造新的防伪钞票上的条码。
在GaAs基材上以自组成法生长InAs量子点 的STM影像
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半导体量子点材料的制备技术
可以看出用这种方法制 备量子点尺寸均匀、具 有严格的对称性。但是 用这种方法制备的量子 点受光刻水平的限制， 不可能刻蚀出更小的量 子点。于是人们利用高 分辨率聚焦电子、离子 束、X射线代替光束对材 料进行刻蚀，从而制备 出线宽更小的量子线和 量子点。利用这种方法 原则上可以制备最小特 征宽度为10nm左右的结 构。表1给出了这一技术
半导体量子点的主要性质
假设某时刻电子通过样品时只有两条路径,那麽由两个波函 数叠加得到的几率分布为：
当样品的尺寸远大于状态相干长度时,电子会遭受非弹性 散射,上式最后一项的平均值为零;如果样品尺寸与相位相干长 度同一量级,交叉项就会有一比值,由于通过不同路径时遇到杂 质的情况不同,所以此值随机变化. 如果在样品的两端放置两 个探头,理论上来说就能够测量到干涉结果,这就是量子干涉现 象. 所以在相位相干长度内,载流子所输运的电流不仅与其速
国内外所达到的水平”。 用光刻技术在Si衬底上制备GaAs量子点的示意图
半导体量子点材料的制备技术
国内外量子点细微加工水平
方法
国外
国内
X-ray光刻技术 最小线度80nm， 0.8～1.0μm 接触曝光 10nm
电子束光刻技 术
束斑直径 实现70nm图形，
Φ<1nm，采
一般为
用PMMA胶已 100～200nm
半导体量子点的主要性质
(a)半导体材料受限维 度变化的示意图;
(b)半导体材料受限维 度对电子态密度影 响的示意图。
（1）体相半导体； （2）量子阱；（3） 量子线；（4）量 子点。
半导体量子点的主要性质
对于纳米半导体颗粒（量子点），由于 三维限域作用，其载流子（电子、空穴）在 一个类似于准零维的量子球壳中运动，相应 的电子结构也从体相连续能带变成分裂的能 级。下图 是半导体材料从体相到量子点电子 结构变化示意图。三维限域作用导致电子和 空穴的动能增加, 使原来的能隙增大，从而使 光学吸收边蓝移。
应变自组装量子点的生长原理(SK转变过程):
量子点的应变自组装生长通常被认为是异质外延的SK生长模式。当InAs 外延层的厚度达到某一临界值tcw时，3DInAs岛就会在浸润层上形成， 这一过程称为SK转变。传统的SK生长模式认为3D岛的形成是由位错引起 的：层状生长的外延薄膜产生位错后，继续沉积的外延材料在位错处形 成3D岛。实验上却发现在半导体材料的异质外延时，例如GaAs(001)衬 底上生长InAs，以及在Si(001)衬底上生长Ge时，都可以获得五位错的 3D岛，说明还存在一种共格的SK生长模式：由晶格失配引起的弹性形变 可以通过外延层材料重组(rearrangement)的方式得到有效释放。
实现12 nm
聚焦离子束 束斑可达10nm, 设备研制阶段 可实现12nm
光刻技术
一般100nm 设备研制阶段Βιβλιοθήκη 半导体量子点材料的制备技术
量子点的可控生长技 术
在图形化衬底（模板） 上生长量子点。在具有掩膜 图形或非平面的单晶衬底上， 采用MBE，MEE，MOCVD， CBE以及ALE等生长及参杂精 度的外延技术，在衬底表面 预定位置，按确定的晶向生 长各种几何形状的量子点。
量子点简介
量子阱 量子线 量子点
半导体量子点的主要性质
半导体量子点结构对其中的载流子(如电子、空 穴和激子) 有强三维量子限制作用,使其表现出一系 列新颖的物理特性,例如具有量子尺寸效应、量子隧 穿效应、量子干涉效应和库仑阻塞效应等，在纳米 电子与光电子器件研制方面有极重要的前景。控制 量子点的几何形状和尺寸可改变其电子态结构,实现 量子点器件的电学和光学性质的“剪裁”,是目前 “能带工程”设计的一个重要组成部分,也是国际研 究的前沿热点领域。
半导体量子点材料的制备技术
高质量量子点材料的制备是量子器件和电路应用的 基础,如何实现对无缺陷量子点的形状、尺寸、面密度、 体密度和空间分布有序性等的可控生长,一直是材料科学 家追求的目标和关注的热点。 经过多年的努力,现已发展 了多种制备半导体量子点的技术, 归纳起来,不外乎所谓的 “自上而下”和“自下而上”以及这两种方法相结合的制 备技术。 下面给予简单的介绍。
半导体量子点的主要性质
量子点的电子态
量子点的电子态是研制新型量子点器件和电路 的物理基础,所以对量子点电子态的了解有着重要的 意义. 通过将势阱作无限深平底势阱的理想化假设,可 以计算得到箱形量子点、球形量子点以及柱形量子点 的本征能量、波函数以及有效态密度。结果表明,量 子点结构的电子能量在三个维度上都是量子化的,量 子化能级间距与该方向的特征长度的平方成反比,随 着该方向的尺寸减小,该方向量子化能级间距增大,量 子化效应更加明显。
量子点简介
一般块材中，电子的波长远小于块材尺寸， 量子局限效应不显著。若将某一维度的尺寸缩到 小于一个波长，此时电子只能在另两个维度所构 成的二维空间中自由运动，这样的系统被称为量 子井；若再将另一维度的尺寸缩到小于一个波长， 电子只能在一维方向上运动，既是量子线；当三 个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为 量子点了。
临界值tcw 时,弹性形变二维层状生长不再是最低能量状态,应变能
通过在浸润层上形成三维岛而得到释放。
半导体量子点材料的制备技术
应变自组装技术不仅无需诸如高空间分辨的电子束曝光和刻蚀等复 杂的工艺技术,方法简单,而且还不会引入杂质污染和形成自由表面缺陷, 是目前制备量子点材料最常用、最有效的方法;但由于量子点在浸润层 上的成核是无序的,故其尺度、形状、分布均匀性难以控制,量子点的定 位生长就更加困难。
率有关,还与其相位有关,故其I - V 特性不再遵从欧姆定律.
基于量子干涉效应可以制备多种新型量子器件。
半导体量子点的主要性质
由于一个具有两种状态的系统可以看作是一个“二进 制”的量子比特,而量子点的能级具有基态和激发态,量子 点系统又具有量子叠加性、相干性、纠缠性等,所以量子点 的能级可以制成量子计算的基本单元———量子比特。
半导体量子点材料的制备技术
从二维层状结构出发，利用各种微加工方法 来获得量子点 。
这种方法首先用MBE或MOCVD等技术设备制备出 超晶格或量子阱，然后用全息相加湿法腐蚀法、电子束 曝光配反应离子干法刻蚀法、离子束成像扫描和聚焦激 发束将超晶格或量子阱加工成量子点。下图给出了用光 刻技术在Si衬底上制备GaAs量子点的示意图。
材料在二维平面上生长的三种模式
层状结构（Frank-van de Merwe)
晶格常数差异较小
先层状后岛状（Stranski-Krastanov）
晶格常数差异适中
岛状结构（Volmer-Weber）
晶格常数差异较大
基材对表面的束缚力（表面应变能）与表面同种分子间的聚合力 （表面自由能）的竞争
量子点的自组织生长(S-K模式）的三 个阶段
1.生长初期: 形成二维薄膜, 由于表面能 达到最小, 而 形成平坦的表 面。
量子点的自组织生长(S-K模式） 的三个阶段
2.膜的厚度增加: 仍然形成平坦表 面。
量子点的自组织生长(S-K模式） 的三个阶段
3.形成岛状结构: 保留 少量表面平坦层, 形成 一部分三维结构。由 于岛的形成, 大大释放 了由应变所产生的弹 性能, 所以这些量子点 中的位错缺陷很少,结 构完整。
库仑阻塞效应：
如果一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小 (如小于10 – 18 F),这时只要有一个电子进入量子点,引起
系统增加的静电能就会远大于电子热运动能量kBT ,这个静
电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点, 这种现 象叫做库仑阻塞(Coulomb blockade) 效应。 在实验上,可 以利用电容耦合通过外加栅压来控制双隧道结连接的量子 点体系的单个电子的进出。
半导体量子点材料的制备技术
模板制备纳米点阵列： 采用较薄（几百纳米）的多孔氧化铝模板作
为掩模，使金属或半导体材料的颗粒通过模板的孔道沉积到基底表面， 可以制备出高度有序的纳米点阵列。沉积方式有分子束外延（MBE）、磁 控溅射、化学气相沉积（CVD）、有机金属汽相外延（OMVPE）、电子束 蒸发和热蒸发等。
多晶硅的特点
成本较低 转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近
多晶硅薄膜电池的制备方法
化学气相沉积法（CVD），包括低压化 学气相沉积（LPCVD）法和等离子增强 化学气相沉积（PECVD）法
液相外延法（LPE） 溅射沉积法
化学气相沉积法
采用二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅或者四氢硅作 为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并 沉积在加热的衬底上。衬底材料一般采用Si、SiO2、 Si3N4等。为了形成大的晶粒，并解决容易在晶粒间形 成空隙的问题，采用的方法是：先用LPCVD法在衬底 上沉积一层较薄的非晶硅层，并对这层非晶硅层进行 退火，可得到较大晶粒，然后在这层籽晶上沉积厚的 多晶硅薄膜。这个工艺中，再结晶技术是非常重要的 一项技术，目前主要采用固相结晶法和区熔再结晶法。 采用再结晶技术与制备单晶硅太阳能电池的技术相结 合，这样可使太阳能电池的转换效率得到显著提高， 其转换效率为12.6%~17.3%
液相外延法
液相外延法（LPE）是通过把硅熔融在母 熔体里，降低温度，析出硅膜。
非晶硅的优点
原材料消耗小； 可使用廉价衬底和柔性衬底； 容易实现大规模和自动化生产； “能量偿还”时间短、功率/质量比大； 制造过程安全； 不污染环境。 总的来说，它具有较高的转换效率和较低成本以
及质量轻的特点
Stranski - Krastanow(S - K) 生长模式,适合于晶格失配较大但 表面、界面能不是很大的异质结材料体系；实验上可采用分子束外 延(MBE) 、金属有机物化学气相沉积(MOCVD) 和原子层外延
(ALE) 等技术制备。 在S - K生长模式中,外延层和衬底间的晶格 失配较大,但是在外延的初始阶段,外延材料可以通过弹性形变适应 晶格失配,以二维层状模式生长,称之为浸润层(wetting layer)。 随着浸润层厚度的增加,应变能不断积累,当浸润层厚度达到某一个