量子点材料PPT课件
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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。
量子点荧光PPT课件
第6页/共11页
荧光碳点的应用
第7页/共11页
荧光碳点的应用
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荧光碳点的应用
第9页/共11页
第10页/共11页
谢谢您的观看！
第11页/共11页
第4页/共11页
碳点等量子点材料荧光产生机理
量子点可以通过尺寸大小调节它的能带结构,使受激发出的光 刚好在可见光范围内,当然被制备量子点的材料,很多本身就具 有荧光性质,做成量子点只是要调节下发光效率和谱频位置而 已。量子点可以把电子锁定在一个非常微小的三维空间内， 当有一束光照射上去的时候电子会受到激发跳跃到更高的能 级。当这些电子回到原来较低的能级的时候，会发射出波长 一定的光束，即有荧光。
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影响荧光效率的主Байду номын сангаас因素
1）分子结构的影响： 共轭体系越大，荧光效率越高；分子的刚性平面结构利于 荧光的产生；给电子取代基可使荧光增强，吸电子取代基 使荧光减弱；重原子效应使荧光减弱。
2）环境因素的影响： 溶剂的极性越强，荧光强度越大；对于大多数荧光物质， 升高温度会使非辐射跃迁引起的荧光的效率降低；表面活 性剂的存在会使荧光效率增强；顺磁性物质如溶液中溶解 氧的存在会使荧光效率降低。 此外，可通过表面修饰来填补量子点表面的缺陷，从而 提高荧光量子产率.
第2页/共11页
量子限域效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连 续态分裂成分立能级，且粒子尺寸越小，能级间距越大。
第3页/共11页
表面效应
量子点极大的比表面积导致表面原子周围缺少相邻的原子，从 而产生大量缺陷能级，一般在半导体带隙之间。表面效应产生 的缺陷能级比激子态更易捕获电子并发光。
主要内容
荧光碳点的应用
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荧光碳点的应用
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荧光碳点的应用
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谢谢您的观看！
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碳点等量子点材料荧光产生机理
量子点可以通过尺寸大小调节它的能带结构,使受激发出的光 刚好在可见光范围内,当然被制备量子点的材料,很多本身就具 有荧光性质,做成量子点只是要调节下发光效率和谱频位置而 已。量子点可以把电子锁定在一个非常微小的三维空间内， 当有一束光照射上去的时候电子会受到激发跳跃到更高的能 级。当这些电子回到原来较低的能级的时候，会发射出波长 一定的光束，即有荧光。
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影响荧光效率的主Байду номын сангаас因素
1）分子结构的影响： 共轭体系越大，荧光效率越高；分子的刚性平面结构利于 荧光的产生；给电子取代基可使荧光增强，吸电子取代基 使荧光减弱；重原子效应使荧光减弱。
2）环境因素的影响： 溶剂的极性越强，荧光强度越大；对于大多数荧光物质， 升高温度会使非辐射跃迁引起的荧光的效率降低；表面活 性剂的存在会使荧光效率增强；顺磁性物质如溶液中溶解 氧的存在会使荧光效率降低。 此外，可通过表面修饰来填补量子点表面的缺陷，从而 提高荧光量子产率.
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量子限域效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连 续态分裂成分立能级，且粒子尺寸越小，能级间距越大。
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表面效应
量子点极大的比表面积导致表面原子周围缺少相邻的原子，从 而产生大量缺陷能级，一般在半导体带隙之间。表面效应产生 的缺陷能级比激子态更易捕获电子并发光。
主要内容
【课件】石墨烯量子点制备及应用ppt
载流子迁移率，有意的机械柔性和良好的热
学，化学稳定性，这种单层碳原子组成的二
维材料引起了科学家们的广泛关注。
此外，零维量子点这种材料允许通过
尺寸或者形状来控制材料的基本性质，而这
将有助于发展材料的新属性，从而应用于新
设备。
2.石墨烯量子点的制备方法
2.1水热法 2.2溶剂热法 2.3微波辅助法
溶剂热法实验步骤：
(1)GO用DMF(N-N二甲基安酰胺)分散：
GO/DMF=5~50mg/ml
(2)超声：120W，100HZ，30min
(3)反应釜加热：聚四氟乙烯内衬反应
釜，200℃加热8小时。
(4) 棕色悬浮液旋转蒸发制得GQDs
2.2溶剂热法
制得的GQDs横向尺 寸5.3nm，厚度1.2nm， 大多是单层或双层。
特点：金属纳米粒子表面积大，催化性能高，有利于电子迁移。
硼掺杂石墨烯量子点的制备
GO,N2于管式炉 200℃2h，GSs
石英舟底部铺上B2O3，再铺GSs， 于管式炉，Ar，1100℃，4h
冷却，3MNaOH回流2h， 抽滤洗涤，真空干燥得BG
0.05g+30ml浓HNO3+10ml 浓H2SO4，100W超声17h
与N2于管式炉200℃2h， 得热还原BGSs
BG与40%HNO3回流24h， 抽滤洗至中性，真空干燥
超纯水稀释250ml， 0.22um滤膜，干燥
溶于NaOH,调节 pH=8~8.5
将50ml溶液置于反应釜， 200℃反应11.5h
经0.22um滤膜抽滤， 透析12h得到BGQDs
谢谢观赏
3.石墨烯量子点生物成像
量子点技术 PPT
纯色OLED需要彩色过滤器才能产生，而QLED天生就能产生各种不同纯色，因此能效更高， 制造成本更低。在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED的2倍，发光率将提升30% 至40%。
量子点的应用一：量子点电视
1.由于量子点的鲜明特征是，既可使用单色光激发出多种不同颜色，也可以使用多种颜 色的光激发产生特定颜色的纯色荧光。
目
录
01
What is Quantum Dot ?
What is Quantum Dot ?
• Nanocrystals • 2-10 nm diameter • Semiconductors
What is in Quantum Dot ?
结构特点
因体积小，让内部电子在各方向上的运动受到限制，所以量子限域效应特别 显著，也让它能发出特定颜色的荧光。其发出的光线颜色由量子点的组成材 料和大小、形状所决定。由于发光波长范围极窄，颜色非常纯粹，所以画面 更加明亮。
当受到电或者光（诸如LED产生的光）的刺激后，量子点中的电子吸收了光 子的能量，从稳定的低能级跃迁到不稳定的高能级，而在稳定恢复时将能量 以特定波长的光子放出。
• 在1990~1993年之间，贝尔实验室发明了“金属有机配位溶剂-高温”技术，它以具有高毒性、非常不稳定 的二甲基镉作为镉源，在300℃左右高温下、在有机 配位溶剂中合成高质量的硒化镉。
What property does Quantum Dot have ?
• 表面效应
• 限域效应
• 尺寸效应
量子点QLED显示技术与众不同的特性，每当受到光或电的刺激，量子点便 会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，量子点 能够将 LED光源发出的蓝光完全转化为白光(传统YAG荧光体只能吸收一部 分)，这意味着在同样的亮度下，量子点QLED所需的蓝光更少，在电光转化 中需要的电力亦更少，有效降低背光系统的功耗总成。
量子点的应用一：量子点电视
1.由于量子点的鲜明特征是，既可使用单色光激发出多种不同颜色，也可以使用多种颜 色的光激发产生特定颜色的纯色荧光。
目
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01
What is Quantum Dot ?
What is Quantum Dot ?
• Nanocrystals • 2-10 nm diameter • Semiconductors
What is in Quantum Dot ?
结构特点
因体积小，让内部电子在各方向上的运动受到限制，所以量子限域效应特别 显著，也让它能发出特定颜色的荧光。其发出的光线颜色由量子点的组成材 料和大小、形状所决定。由于发光波长范围极窄，颜色非常纯粹，所以画面 更加明亮。
当受到电或者光（诸如LED产生的光）的刺激后，量子点中的电子吸收了光 子的能量，从稳定的低能级跃迁到不稳定的高能级，而在稳定恢复时将能量 以特定波长的光子放出。
• 在1990~1993年之间，贝尔实验室发明了“金属有机配位溶剂-高温”技术，它以具有高毒性、非常不稳定 的二甲基镉作为镉源，在300℃左右高温下、在有机 配位溶剂中合成高质量的硒化镉。
What property does Quantum Dot have ?
• 表面效应
• 限域效应
• 尺寸效应
量子点QLED显示技术与众不同的特性，每当受到光或电的刺激，量子点便 会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，量子点 能够将 LED光源发出的蓝光完全转化为白光(传统YAG荧光体只能吸收一部 分)，这意味着在同样的亮度下，量子点QLED所需的蓝光更少，在电光转化 中需要的电力亦更少，有效降低背光系统的功耗总成。
碳量子点简介PPT课件
在此以后，人们发展了电化学氧化石墨，石墨烯，碳 纤维和碳黑制备碳量子点的新技术以及一系列新型的 制备方法。
碳量子点（CQDs）
碳量子点（CQDs）是以粒径小于10 nm的碳质骨架 和表面基团构成的荧光纳米材料。碳量子点具有毒 性小、生物相容性好、发光波长可调、易于功能化 等突出优势而备受关注 CQD具有的优势： 1.快速的光生电子传递 2.电子储存性能 3.良好的上转换光致发光能力 目前为止，在生物成像、荧光传 感、有机光伏、发光二极管和催 化领域表现出了潜在的应用价值。
CQDs/Ag3PO4的SEM及HRTEM
1.CQDs可以作为电子供体和受体，光催化降解过程
中电子很容易的传递到Ag3PO4表面，同时多余的电
子可以传递到 CQDs，避免光腐蚀，提高了催化剂的
稳定性
2.CQDs可以吸收可见光利用上转换作用转换为短波
长(300 to 530 nm)光，进而激发Ag3PO4产生光生
1.结晶性质
2.光学性质 虽然到目前为止，碳量子点的发光机理仍然不明确， 存在诸多争议，但其发光性质具有一些基本特征。 如：发光具有尺寸和激发波长的依赖性，发光稳定、 无光漂白现象。此外，还发现碳量子点的发光具有 pH 依赖性，存在上转换发光和电化学发光现象 3.细胞毒性和生物兼容性
CQDs良好的上转换光致发光能力为全谱太阳光 的应用提供了新的思路及方向 但是，针对CQDs自身较弱的电子传输性能这一制 约其发展的关键性因素，研究人员立足于碳前驱 体源头创新，围绕CQDs的可控构筑、电子传输及 光催化有机物制备机理等开展了系统深入的研究
含碳量子点的块体材料
碳量子点除了直接与金属或金属氧化物复合外，还 被用作荧光填料复合到二氧化硅、琼脂或二硫烯镍 等块体材料中，赋予了复合材料发光性能。将碳量 子点添加到 Nafion(全氟磺酸) 中制备的复合材料 可用作电化学发光免疫检测甲胎蛋白
碳量子点（CQDs）
碳量子点（CQDs）是以粒径小于10 nm的碳质骨架 和表面基团构成的荧光纳米材料。碳量子点具有毒 性小、生物相容性好、发光波长可调、易于功能化 等突出优势而备受关注 CQD具有的优势： 1.快速的光生电子传递 2.电子储存性能 3.良好的上转换光致发光能力 目前为止，在生物成像、荧光传 感、有机光伏、发光二极管和催 化领域表现出了潜在的应用价值。
CQDs/Ag3PO4的SEM及HRTEM
1.CQDs可以作为电子供体和受体，光催化降解过程
中电子很容易的传递到Ag3PO4表面，同时多余的电
子可以传递到 CQDs，避免光腐蚀，提高了催化剂的
稳定性
2.CQDs可以吸收可见光利用上转换作用转换为短波
长(300 to 530 nm)光，进而激发Ag3PO4产生光生
1.结晶性质
2.光学性质 虽然到目前为止，碳量子点的发光机理仍然不明确， 存在诸多争议，但其发光性质具有一些基本特征。 如：发光具有尺寸和激发波长的依赖性，发光稳定、 无光漂白现象。此外，还发现碳量子点的发光具有 pH 依赖性，存在上转换发光和电化学发光现象 3.细胞毒性和生物兼容性
CQDs良好的上转换光致发光能力为全谱太阳光 的应用提供了新的思路及方向 但是，针对CQDs自身较弱的电子传输性能这一制 约其发展的关键性因素，研究人员立足于碳前驱 体源头创新，围绕CQDs的可控构筑、电子传输及 光催化有机物制备机理等开展了系统深入的研究
含碳量子点的块体材料
碳量子点除了直接与金属或金属氧化物复合外，还 被用作荧光填料复合到二氧化硅、琼脂或二硫烯镍 等块体材料中，赋予了复合材料发光性能。将碳量 子点添加到 Nafion(全氟磺酸) 中制备的复合材料 可用作电化学发光免疫检测甲胎蛋白
量子点PPT演示课件
量子点概述 量子点材料的应用 量子点研究现状
目录
量子点概述
量子点(Quantum Dot，QD)是准零维的材料，又可 称为纳米晶，一般是由II－VI族（如CdS、CdSe、 CdTe、ZnSe）或III－V族（如GaN、InAs）元素 组成的半导体纳米颗粒，也可以是两种以上元素 组成的混合纳米晶，尺寸大约在2-10nm。由于材 料在三维空间被限制到极小的临界尺寸，看起来 像一个点，故称之为量子点。
成与研究，通过固相合成、单源先驱分解、热注
射、热解酸法以及溶剂热的方法已经获得了较高 质量的I-III-VI三元半导体纳米晶。
由于量子点三个维度的尺寸都很小，材料具有显 著的量子效应，结构和性质也随之发生从宏观到 微观的转变。
量子点材料主要有以下特征：量子限域效应、表 面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应、库 伦阻塞效应
由于对量子点的光学性质影响较大的是量子限域 效应和表面效应，故作简要介绍。
量子限域效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的 电子能级由连续态分裂成分立能级，
且粒子尺寸越小，能级间距越大。
表面效应
量子点极大的比表面积导致表面原子周围缺少相 邻的原子，从而产生大量缺陷能级，一般在半导 体带隙之间。
量子限域效应示意图
量子点特殊的能带结构决定了其特殊的光学性质。
量子限域效应导致量子点中易形成较长寿命的激 子态，而激子复合发光光谱线宽很窄，单色性好。
表面效应产生的缺陷能级比激子态更易捕获电子 并发光，但单色性较差，故在制作量子点发光元 件时应尽量消除。
量子点材料的应用
由于量子点具有独特的电子和发光性质，如激发 光谱宽且连续，发射光谱窄且对称，荧光波长可 通过改变量子点大小或成分进行调节，量子产率 较高，斯托克斯位移较大等性质，在发光二极管、 生物标记和激光等领域已成为大家关注的焦点。 下面对量子点在发光二极管方面的应用做简要介 绍。
目录
量子点概述
量子点(Quantum Dot，QD)是准零维的材料，又可 称为纳米晶，一般是由II－VI族（如CdS、CdSe、 CdTe、ZnSe）或III－V族（如GaN、InAs）元素 组成的半导体纳米颗粒，也可以是两种以上元素 组成的混合纳米晶，尺寸大约在2-10nm。由于材 料在三维空间被限制到极小的临界尺寸，看起来 像一个点，故称之为量子点。
成与研究，通过固相合成、单源先驱分解、热注
射、热解酸法以及溶剂热的方法已经获得了较高 质量的I-III-VI三元半导体纳米晶。
由于量子点三个维度的尺寸都很小，材料具有显 著的量子效应，结构和性质也随之发生从宏观到 微观的转变。
量子点材料主要有以下特征：量子限域效应、表 面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应、库 伦阻塞效应
由于对量子点的光学性质影响较大的是量子限域 效应和表面效应，故作简要介绍。
量子限域效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的 电子能级由连续态分裂成分立能级，
且粒子尺寸越小，能级间距越大。
表面效应
量子点极大的比表面积导致表面原子周围缺少相 邻的原子，从而产生大量缺陷能级，一般在半导 体带隙之间。
量子限域效应示意图
量子点特殊的能带结构决定了其特殊的光学性质。
量子限域效应导致量子点中易形成较长寿命的激 子态，而激子复合发光光谱线宽很窄，单色性好。
表面效应产生的缺陷能级比激子态更易捕获电子 并发光，但单色性较差，故在制作量子点发光元 件时应尽量消除。
量子点材料的应用
由于量子点具有独特的电子和发光性质，如激发 光谱宽且连续，发射光谱窄且对称，荧光波长可 通过改变量子点大小或成分进行调节，量子产率 较高，斯托克斯位移较大等性质，在发光二极管、 生物标记和激光等领域已成为大家关注的焦点。 下面对量子点在发光二极管方面的应用做简要介 绍。
《量子点和自组装》PPT课件
• 装配工具是近年来才发展起来的扫描探针 显微镜（Scanning Probe Microscopes） SPM等仪器。
• 总体上来说，人工纳米结构组装尽管已经 取得了一些成果，但因为仪器所限，大规 模、高效率、低成本的直接组装方法仍远 未实现。
纳米结构的自组装体系
• 是指通过弱的和较小方向性的非共价键, 如氢键、范德瓦耳斯键和弱的离子键协 同作用把原子、离子或分子连接在一起 构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样 。
阴离子表面活性剂
• pH>7: 通常显示负电性； • pH<7: 不带电，失活性。
• 相反离子的存在能迅速中和头部基团的电荷，甚至导 致表面活性剂沉淀。
非离子表面活性剂
• pH<7, 优，相反电荷或溶剂不影响其活性。
反胶束合成纳米材料
•混合微乳液法
• 微乳液加入还原剂
• 微乳液通入气体
阳离子的可溶盐
Soft Matter 2007, 3, 1530;
J. Phys. Chem. C 2007, 111, 10082;
Chem. Mater. 2006, 18, 6204; Langmuir 2004, 20, 974;
Adv. Funct. Mater. 2003, 13, 548. Chem. Commun. 2003,1056;
布拉维法则（Bravais rule)
晶体通常被面网密度大的晶面所包围
奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald Ripening)
•小颗粒被大颗粒湮灭。 Gibbs-Thomson公式,
颗粒的溶解度随尺寸减小增加:
威廉·奥斯特瓦尔德
纳米晶形貌和结构
各向同性的籽晶－－－－－0维纳米结构 各向异性的籽晶－－－－－1维或者2维纳米结构 籽晶的晶相取决于温度和包裹分子
量子点ppt
量子点发光二极管比之有机发光二极管（OLED）， 稳定性更好，寿命更长，已成为现今的研究热点。
量子点研究现状
量子点在近二十年来发展迅速，并且吸引越来越 多研究人员的关注。它显示出独特的尺寸、形貌 可调的物理和化学性质，进而在发光二极管、生 物荧光标记、诊断学、激光和太阳能电池等方面 具有重要的潜在应用。而控制并合成出结构、尺 寸和形貌可调的半导体纳米晶是这些潜在应用的 基础。这方面的研究主要集中在 Cd 基和 Pb 基半 导体纳米晶上。而由于制备过程所需原料以及材 料自身的毒性，大大限制其应用前景。
量子点材料的应用
由于量子点具有独特的电子和发光性质，如激发 光谱宽且连续，发射光谱窄且对称，荧光波长可 通过改变量子点大小或成分进行调节，量子产率 较高，斯托克斯位移较大等性质，在发光二极管、 生物标记和激光等领域已成为大家关注的焦点。 下面对量子点在发光二极管方面的应用做简要介 绍。
量子点发光二极管（QD-LED）主要采用空穴传 输层、发光层和电子传输层的三明治结构，其中 发光层即为量子点涂层。通过正向偏压，使电子 和空穴汇集于发光层并形成激子，激子复合导致 发光。不同的色光可调配出其他多种色光。
由于量子点三个维度的尺寸都很小，材料具有显 著的量子效应，结构和性质也随之发生从宏观到 微观的转变。
量子点材料主要有以下特征：量子限域效应、表 面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应、库 伦阻塞效应
由于对量子点的光学性质影响较大的是量子限域 效应和表面效应，故作简要介绍。
量限域效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的 电子能级由连续态分裂成分立能级，
量子点概述 量子点材料的应用 量子点研究现状
目录
量子点概述
量子点(Quantum Dot，QD)是准零维的材料，又可 称为纳米晶，一般是由II－VI族（如CdS、CdSe、 CdTe、ZnSe）或III－V族（如GaN、InAs）元素 组成的半导体纳米颗粒，也可以是两种以上元素 组成的混合纳米晶，尺寸大约在2-10nm。由于材 料在三维空间被限制到极小的临界尺寸，看起来 像一个点，故称之为量子点。
量子点研究现状
量子点在近二十年来发展迅速，并且吸引越来越 多研究人员的关注。它显示出独特的尺寸、形貌 可调的物理和化学性质，进而在发光二极管、生 物荧光标记、诊断学、激光和太阳能电池等方面 具有重要的潜在应用。而控制并合成出结构、尺 寸和形貌可调的半导体纳米晶是这些潜在应用的 基础。这方面的研究主要集中在 Cd 基和 Pb 基半 导体纳米晶上。而由于制备过程所需原料以及材 料自身的毒性，大大限制其应用前景。
量子点材料的应用
由于量子点具有独特的电子和发光性质，如激发 光谱宽且连续，发射光谱窄且对称，荧光波长可 通过改变量子点大小或成分进行调节，量子产率 较高，斯托克斯位移较大等性质，在发光二极管、 生物标记和激光等领域已成为大家关注的焦点。 下面对量子点在发光二极管方面的应用做简要介 绍。
量子点发光二极管（QD-LED）主要采用空穴传 输层、发光层和电子传输层的三明治结构，其中 发光层即为量子点涂层。通过正向偏压，使电子 和空穴汇集于发光层并形成激子，激子复合导致 发光。不同的色光可调配出其他多种色光。
由于量子点三个维度的尺寸都很小，材料具有显 著的量子效应，结构和性质也随之发生从宏观到 微观的转变。
量子点材料主要有以下特征：量子限域效应、表 面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应、库 伦阻塞效应
由于对量子点的光学性质影响较大的是量子限域 效应和表面效应，故作简要介绍。
量限域效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的 电子能级由连续态分裂成分立能级，
量子点概述 量子点材料的应用 量子点研究现状
目录
量子点概述
量子点(Quantum Dot，QD)是准零维的材料，又可 称为纳米晶，一般是由II－VI族（如CdS、CdSe、 CdTe、ZnSe）或III－V族（如GaN、InAs）元素 组成的半导体纳米颗粒，也可以是两种以上元素 组成的混合纳米晶，尺寸大约在2-10nm。由于材 料在三维空间被限制到极小的临界尺寸，看起来 像一个点，故称之为量子点。
量子点课件-国家纳米科技中心
早期的化学合成方法: 微乳液法
(胶体)化学合成方法: 油相高温热解
惰性气体保护
Murray, Norris & Bawendi JACS, 115(29), 8706, 1993 文献引用2000多次
CdSe
TOPO
TOP/TOPO
Cd 前驱物 TOP-Se
TOPO is both coordinating ligand and reaction solvent, however, only 90% pure technical grade reagent works
The size-dependent phonon frequency of semiconductor nanocrystals L.H. Liang, C.M. Shen, X.P. Chen, W.M. Liu, and H.J. Gao J. Phys.: Condensed Matter 16，267, 2004
需要控制: 尺寸,形状,密度分布
2.胶体化学方法合成 Colloidal quantum dot Semiconductor Nanocrystals
3.微加工方法
学科背景：工业发展需要深入研究纳米尺寸半导体的性质
Willamette 芯片内 部结构
属于Pentium 4家 族，256KB二级缓 存，FSB 400MHz， 0.18微米生产工 艺，集成4200万个 晶体管，核心面积 217平方毫米，使用 铝连接晶体管。
Wide absorption Narrow emission
同时观察多信号细胞组分
Science, 1998
Five-colour QD staining of fixed human epithelial cells. Cyan corresponds to 655-nm Qdots labelling the nucleus, magenta 605-Qdots labelling Ki-67 protein, orange 525-Qdots labelling mitochondria, green 565-Qdots labelling microtubules and red 705Qdots labelling actin filaments.
量子点敏化太阳能电池光电转换性能的改进ppt课件
电子注入速率常数为kinj): QD*→ QD++e-(CB) (3) 氧化物导带(CB)中的电子在纳米晶网络中传输到后接
触面(back contacts用BC表示)后而流入到外电路中: e-(CB) → e-(BC)
量子点敏化太阳能电池的工作原理
(4) 纳米晶膜中传输的电子与进入二氧化钛膜孔中的I3-离子复合(速率常数用ket表示):
I3- 导带中的电子与氧化态量子点之间的复合(电子 回传速率常数为kb):
QD++ e-(CB) → QD
(6) I3-离子扩散对电极(CE)上得到电子再生:
I3-+ 2e-(CE) → 3I-
(7) I-离子还原氧化态量子点可以使量子点再生：
3I-+ 2QD+→ I3-+ QD
量子点敏化材料具有量子点所特有的量子限制效应碰撞离化化效应俄歇效应以及小带结构这些效应可用来增强光电转化效率
量子点敏化太阳能电池光电转换性能的改进
量子点敏化太阳能电池的优势
• 量子点材料同传统染料相比，具有价格低 廉、吸
• 收范围宽广和较为稳定等诸多优点。
• 量子点敏化材料具有量子点所特有的量子 限制效应、碰撞离化化效应、俄歇效应以 及小带结构，这些效应可用来增强光电转 化效率。
共敏化
我的想法
对DSSC电池来说，目前还存在着一些制约因素。
染料敏化太阳能电池的发展在近年来已经止步不
前，量子点敏化太阳能电池虽然有很大潜力，但目
前也没有取得突破性进展。或许，我们放开思路、
拓展视野，能够得到一种更好、更廉价、更稳定的
太阳能电池结构。如何更有效地利用太阳光，如何
使得电池能接收更多的太阳能，也可以是今后使得
触面(back contacts用BC表示)后而流入到外电路中: e-(CB) → e-(BC)
量子点敏化太阳能电池的工作原理
(4) 纳米晶膜中传输的电子与进入二氧化钛膜孔中的I3-离子复合(速率常数用ket表示):
I3- 导带中的电子与氧化态量子点之间的复合(电子 回传速率常数为kb):
QD++ e-(CB) → QD
(6) I3-离子扩散对电极(CE)上得到电子再生:
I3-+ 2e-(CE) → 3I-
(7) I-离子还原氧化态量子点可以使量子点再生：
3I-+ 2QD+→ I3-+ QD
量子点敏化材料具有量子点所特有的量子限制效应碰撞离化化效应俄歇效应以及小带结构这些效应可用来增强光电转化效率
量子点敏化太阳能电池光电转换性能的改进
量子点敏化太阳能电池的优势
• 量子点材料同传统染料相比，具有价格低 廉、吸
• 收范围宽广和较为稳定等诸多优点。
• 量子点敏化材料具有量子点所特有的量子 限制效应、碰撞离化化效应、俄歇效应以 及小带结构，这些效应可用来增强光电转 化效率。
共敏化
我的想法
对DSSC电池来说，目前还存在着一些制约因素。
染料敏化太阳能电池的发展在近年来已经止步不
前，量子点敏化太阳能电池虽然有很大潜力，但目
前也没有取得突破性进展。或许，我们放开思路、
拓展视野，能够得到一种更好、更廉价、更稳定的
太阳能电池结构。如何更有效地利用太阳光，如何
使得电池能接收更多的太阳能，也可以是今后使得
量子点粉体材料的制备及应用.ppt
早期的化学合成方法: 微乳液法
微乳液通常由表面活性剂、助表面活性剂、溶剂和 水(或水溶液)组成。在此体系中，两种互不相溶的 连续介质被表面活性剂双亲分子分割成微小空间形 成微型反应器，其大小可控制在纳米级范围，反应 物在体系中反应生成固相粒子。由于微乳液能对纳 米材料的粒径和稳定性进行精确控制，限制了纳米 粒子的成核、生长、聚结、团聚等过程，从而形成 的纳米粒子包裹有一层表面活性剂，并有一定的凝 聚态结构。
小于一个纳米 个别原子的直径只有几分之一纳米 一个纳米 10个氢原子并列跨度只有1纳米
几百万个纳米 拇指上的黑点直径为几百万纳米
n(E) ∝E-1/2
点电荷电场线
纳米材料和传统材料的本质差异在于纳米材料中表面原子数占材料中总原 子数的比例非常高。
量子点(quantum dot) 有时被称 为“人造原子”、“超晶格”、 “超原子”或“量子点原子”是 准零维(quasi-zerodimensional)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，所以量子限 域效应(quantum confinement effect)特别显著。
量子点粒子的优势: 1. 带隙随粒子尺寸可调 2. 吸收系数(截面)大 3. 晶格不对称造成的电子-空穴的自动分离 4. 长的激子(电子-空穴对)寿命 5. 化学稳定性 Multiple exciton generation by single photon
量子论 量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给 我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方 法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为 原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理 学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、 原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收 与辐射等。
量子点材料ppt课件
由于制备温度的提高，使得量子点成核和 生长所需的时间明显缩短，制备得到的量 子点表面缺陷也显著减少，表现为量子点 的荧光量子效率有较大提高。
29
4.微波辐射法
微波辐射法具有以下优点： 升温速度快 温度梯度小 选择性加热等 微波合成反应时间极短 量子点尺寸更均匀 量子产率更高 微波法制备水溶性量子点有不可取代的地位
48
环境科学方面的应用 利用不同物质包被的PbS量子点，开发不同离子和 气体传感器广泛应用于检测环境有毒物质和内分泌 干扰素的毒性，衡量环境污染物对人和动物和植物 的影响，进行环境污染物定性定量分析方面研究， 为环境监测提供新的方法和技术
49
谢谢大家
50
很多原料都需要在标准的无氧无水下进行 操作
实验操作所需的氩气流动下的手套箱，是 一笔不菲的开支
高纯度的原料要求也不是一般的厂家所能 生产的
22
需要用的金属化合物前驱体（如二甲基镉 Cd(CH3)2） 具有相当大的毒性和自燃性，价格昂贵， 在室温下不稳定，需要高压储存，反应时 在注入时会爆炸性地释放出大量气体和热。
6
7
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。
8
量子点具有宽的激发光谱和窄的发射光谱。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。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。
实验操作简单,在整个过程中不需要氮气保 护,而且具有普适性,
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4.微波辐射法
微波辐射法具有以下优点： 升温速度快 温度梯度小 选择性加热等 微波合成反应时间极短 量子点尺寸更均匀 量子产率更高 微波法制备水溶性量子点有不可取代的地位
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环境科学方面的应用 利用不同物质包被的PbS量子点，开发不同离子和 气体传感器广泛应用于检测环境有毒物质和内分泌 干扰素的毒性，衡量环境污染物对人和动物和植物 的影响，进行环境污染物定性定量分析方面研究， 为环境监测提供新的方法和技术
49
谢谢大家
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很多原料都需要在标准的无氧无水下进行 操作
实验操作所需的氩气流动下的手套箱，是 一笔不菲的开支
高纯度的原料要求也不是一般的厂家所能 生产的
22
需要用的金属化合物前驱体（如二甲基镉 Cd(CH3)2） 具有相当大的毒性和自燃性，价格昂贵， 在室温下不稳定，需要高压储存，反应时 在注入时会爆炸性地释放出大量气体和热。
6
7
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。
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量子点具有宽的激发光谱和窄的发射光谱。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。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。
实验操作简单,在整个过程中不需要氮气保 护,而且具有普适性,
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多重激子效应（Multiple Exciton Generation， 简称MEG）可通过一个光子能量产生多个激子或 电子空穴对，更加有效的利用太阳能
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11
.
12
.
13
量子点的种类
C量子点 一元量子点
量子点
二元量子点
Si量子点 不含重金属的量子点（ZnO、SiO2)
含重金属的量子点（CdS、PbS等）
主要是将有机金属前驱体溶液注射进高温配体 溶液中，前驱体在高温条件下迅速热解并成核，接 着晶核缓慢生长为纳米晶（简称 TOP/TOPO 法）。
前驱体：二甲基镉 三辛基硒（碲、硫）磷
配体： 三辛基氧磷（TOPO）
注入
高温 （200-600℃）
CdTe量子点
.
20
有机合成量子点示意图
.
21
这种方法缺点巨大
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的激发光谱和窄的发射光谱。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。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。
量 子 点 制 备 通 常 分 为 top-down 和 bottom-up 两类，前者在晶体表面蚀刻而成， 有立足于组成器件的优势；后者来自于化学 制备，粒径和界面可由反应条件控制，界面 还可以连接不同的化学基团，易于自组织， 这种特点使它在生物体系标记方面大有所为 成为可能。
.
19
1. 有机相合成法
.
24
与有机相合成相比，水相合成具有操作 简单、成本低、毒性小等优势，而且无需进 一步的表面修饰即可应用在生物医学领域。
.
25
Al2Te3和H2SO4
传统水相加热回流法
H2Te气体
N2鼓入
Cd金属盐和配体溶 液
水溶性CdTe前驱体溶 液
三元量子点（CdSexTe1-x、CuInS2）
.
14
碳量子点（CQDs or CDs ）
碳纳米材料家族的新秀——碳量子点是一类 由碳、氢、氧、氮等元素组成，以sp2 杂化碳为主 的表面带有大量含氧基团，且颗粒尺寸小于10 nm 的准球型碳纳米粒子。具有高的载流子迁移率、良 好的热学和化学稳定性以及环境友好性、价格低廉 等无可比拟的优势。
很多原料都需要在标准的无氧无水下进行 操作
实验操作所需的氩气流动下的手套箱，是 一笔不菲的开支
高纯度的原料要求也不是一般的厂家所能 生产的
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22
需要用的金属化合物前驱体（如二甲基镉 Cd(CH3)2） 具有相当大的毒性和自燃性，价格昂贵， 在室温下不稳定，需要高压储存，反应时 在注入时会爆炸性地释放出大量气体和热。
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4
介电限域效应
由于量子点与电子的De Broglie波长、相干波长及激 子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运 受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相 干性增强，将引起量子限域效应
量子隧道效应
纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低 时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以 使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导 电.电子从一个量子阱穿越量子垫垒进入另一个量子阱就
.
17
量子点的制备方法
量子点的合成方法包括外延技术（如MBE、MOVPE、 LPE等）以及化学方法(如金属有机合成法、水相合 成法、连续离子层吸附反应法、微乳液法、溶胶凝胶法、溶剂热法、共沉淀法等等)。其中金属有 机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法量 子点晶体生长好，量子产率高
.
18
量子点的制备
因此，用 Cd(CH3)2的相关合成方法，并不适 合大量的生产。
.
23
2.水相合成法
经过人们十多年的研究，在水溶液中合 成纳米颗粒已发展成为一种比较成熟的方法。 研究人员采用各种巯基化合物，如巯基酸、 巯基醇、巯基胺以及巯基氨基酸等小分子作 为稳定剂，在水溶液中，100℃的条件下晶 化生长 CdTe 荧光纳米颗粒。
.
1
.
2
.
3
量子点的物理效应
量子尺寸效应 通过控制量子点的形状、结构、尺寸，可以很方便 的调节其能隙宽度、束缚能大小以及激子的能量蓝 移等电子状态
表面效应
粒径减小，比表面积增大，表面原子数量增多，导
致表面原子配位数不足，表面断键增多，使量子点
活性增大。同时表面缺陷导致陷阱电子或空穴影响
量子点的发光特性，
.
15
SiC量子点
新型SiC 量子点荧光标记与成像材料是一种生 物惰性陶瓷材料，具有生物相容性及光学性能优良 等特点。
采用化学腐蚀法制备碳化硅量子点由于工艺操 作简单、可一步法实现量子点的表面修饰而成为目 前制备碳化硅量子点的主流方法之一。
.
16
ZnO量子点
氧化锌量子点作为一种半导体材料具备许多优 越的特征:价带一导带的间隙较宽(3.37 eV),激子 结合能相当大(室温下大约60 meV),无毒无害,成本 低廉等等。这些优点使氧化锌是一种很有实用价值 的发光材料。
.
9
量子点具有较大的斯托克斯位移。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
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
.
10
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
出现了量子隧道效应
.
5
量子点主要的性质: 光学特性
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。以CdTe 量子为例，当它的粒径从2.5nm生长到4.0nm时， 它们的发射波长可以从510nm红移到660nm
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量子点的种类
C量子点 一元量子点
量子点
二元量子点
Si量子点 不含重金属的量子点（ZnO、SiO2)
含重金属的量子点（CdS、PbS等）
主要是将有机金属前驱体溶液注射进高温配体 溶液中，前驱体在高温条件下迅速热解并成核，接 着晶核缓慢生长为纳米晶（简称 TOP/TOPO 法）。
前驱体：二甲基镉 三辛基硒（碲、硫）磷
配体： 三辛基氧磷（TOPO）
注入
高温 （200-600℃）
CdTe量子点
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有机合成量子点示意图
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21
这种方法缺点巨大
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的激发光谱和窄的发射光谱。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。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。
量 子 点 制 备 通 常 分 为 top-down 和 bottom-up 两类，前者在晶体表面蚀刻而成， 有立足于组成器件的优势；后者来自于化学 制备，粒径和界面可由反应条件控制，界面 还可以连接不同的化学基团，易于自组织， 这种特点使它在生物体系标记方面大有所为 成为可能。
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1. 有机相合成法
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24
与有机相合成相比，水相合成具有操作 简单、成本低、毒性小等优势，而且无需进 一步的表面修饰即可应用在生物医学领域。
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25
Al2Te3和H2SO4
传统水相加热回流法
H2Te气体
N2鼓入
Cd金属盐和配体溶 液
水溶性CdTe前驱体溶 液
三元量子点（CdSexTe1-x、CuInS2）
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14
碳量子点（CQDs or CDs ）
碳纳米材料家族的新秀——碳量子点是一类 由碳、氢、氧、氮等元素组成，以sp2 杂化碳为主 的表面带有大量含氧基团，且颗粒尺寸小于10 nm 的准球型碳纳米粒子。具有高的载流子迁移率、良 好的热学和化学稳定性以及环境友好性、价格低廉 等无可比拟的优势。
很多原料都需要在标准的无氧无水下进行 操作
实验操作所需的氩气流动下的手套箱，是 一笔不菲的开支
高纯度的原料要求也不是一般的厂家所能 生产的
.
22
需要用的金属化合物前驱体（如二甲基镉 Cd(CH3)2） 具有相当大的毒性和自燃性，价格昂贵， 在室温下不稳定，需要高压储存，反应时 在注入时会爆炸性地释放出大量气体和热。
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4
介电限域效应
由于量子点与电子的De Broglie波长、相干波长及激 子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运 受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相 干性增强，将引起量子限域效应
量子隧道效应
纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低 时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以 使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导 电.电子从一个量子阱穿越量子垫垒进入另一个量子阱就
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量子点的制备方法
量子点的合成方法包括外延技术（如MBE、MOVPE、 LPE等）以及化学方法(如金属有机合成法、水相合 成法、连续离子层吸附反应法、微乳液法、溶胶凝胶法、溶剂热法、共沉淀法等等)。其中金属有 机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法量 子点晶体生长好，量子产率高
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量子点的制备
因此，用 Cd(CH3)2的相关合成方法，并不适 合大量的生产。
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2.水相合成法
经过人们十多年的研究，在水溶液中合 成纳米颗粒已发展成为一种比较成熟的方法。 研究人员采用各种巯基化合物，如巯基酸、 巯基醇、巯基胺以及巯基氨基酸等小分子作 为稳定剂，在水溶液中，100℃的条件下晶 化生长 CdTe 荧光纳米颗粒。
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量子点的物理效应
量子尺寸效应 通过控制量子点的形状、结构、尺寸，可以很方便 的调节其能隙宽度、束缚能大小以及激子的能量蓝 移等电子状态
表面效应
粒径减小，比表面积增大，表面原子数量增多，导
致表面原子配位数不足，表面断键增多，使量子点
活性增大。同时表面缺陷导致陷阱电子或空穴影响
量子点的发光特性，
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SiC量子点
新型SiC 量子点荧光标记与成像材料是一种生 物惰性陶瓷材料，具有生物相容性及光学性能优良 等特点。
采用化学腐蚀法制备碳化硅量子点由于工艺操 作简单、可一步法实现量子点的表面修饰而成为目 前制备碳化硅量子点的主流方法之一。
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ZnO量子点
氧化锌量子点作为一种半导体材料具备许多优 越的特征:价带一导带的间隙较宽(3.37 eV),激子 结合能相当大(室温下大约60 meV),无毒无害,成本 低廉等等。这些优点使氧化锌是一种很有实用价值 的发光材料。
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量子点具有较大的斯托克斯位移。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
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
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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
出现了量子隧道效应
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量子点主要的性质: 光学特性
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。以CdTe 量子为例，当它的粒径从2.5nm生长到4.0nm时， 它们的发射波长可以从510nm红移到660nm
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