量子点材料ppt课件
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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，
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
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
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）
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。
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。
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
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wk.baidu.com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
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。
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
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。
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
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
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。
个量子阱就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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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
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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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）
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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。
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。
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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。
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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
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wk.baidu.com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
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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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
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。
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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
18
量子点的制备
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
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。
个量子阱就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