量子点
量子点的工作原理
量子点的工作原理
量子点是一种纳米级半导体结构，由几十个至几百个原子组成。
其工作原理基于量子力学中电子能级的离散性质。
在普通的半导体材料中，电子能级是连续的，电子可以在能带中自由移动。
而在量子点中，由于其尺寸非常小，电子无法自由运动，而是被量子限制在能级中。
量子点的大小可调，当它的尺寸与电子波长相当时，量子点具有特殊的电子结构。
量子点的能带结构会发生变化，使得只有特定的能级被允许，其它能级被禁止。
因此，量子点可以被看作是一种人工设计的能带结构。
当光照射到量子点上时，电子会从基态跃迁到激发态，被能量激发起来。
这些被激发的电子在激发态上滞留相当长的时间，形成激发的载流子。
当载流子回到基态时，它们会释放出能量，产生特定波长的光。
这个现象被称为荧光。
由于量子点的能级离散性质，不同尺寸的量子点会发射不同波长的荧光光谱。
基于这个原理，量子点在光电子学、生物医学成像、光催化等领域得到广泛应用。
通过调节量子点的尺寸，可以精确控制其发射的荧光波长，为荧光标记、显示技术等提供了新的可能性。
量子点尺寸范围
量子点尺寸范围量子点尺寸范围是指在纳米级尺度下的一种新型材料。
量子点是一种具有特殊电子结构的半导体纳米结构，其尺寸通常在1到10纳米之间。
量子点具有许多独特的物理和化学性质，使其在光电子学、生物医学和能源领域等有着广泛的应用前景。
一、量子点的基本概念量子点是一种半导体纳米材料，其尺寸小于其波长，从而使得其电子行为受到量子力学效应的限制。
量子点可以看作是一个三维空间中的电子“陷阱”，电子在其中仅能取离散的能级，且能级之间的差异与量子点的尺寸密切相关。
二、量子点尺寸对性质的影响量子点的尺寸对其性质有着显著的影响。
当量子点尺寸较小时，由于其电子受限于离散的能级，其能带结构发生变化，能级间距增大，能带宽度减小，从而使得量子点的能带结构变得更加复杂。
三、量子点尺寸对光学性质的影响量子点的尺寸对其光学性质有着重要的影响。
量子点可以吸收入射光的能量，并发射出具有特定波长的光。
量子点的尺寸决定了其能带结构，从而决定了其能够吸收和发射的光的波长。
因此，通过调控量子点的尺寸，可以实现对所发射光的波长的调控，从而用于光电子学器件的制备。
四、量子点尺寸对电子输运性质的影响量子点的尺寸也对其电子输运性质有着重要的影响。
量子点中的电子受到离散能级的限制，因此在输运过程中会发生一系列的量子力学效应，如量子隧穿和量子干涉。
这些量子效应使得量子点的电子输运性质与传统的宏观材料有着显著的差异。
五、量子点尺寸对生物医学应用的影响量子点在生物医学领域具有广泛的应用前景。
由于量子点具有可调控的光学性质，可以用于生物标记、荧光成像和癌症治疗等方面。
通过调控量子点的尺寸和表面修饰，可以实现对其生物相容性和生物分子识别能力的调控，从而实现对生物系统的精确控制。
六、量子点尺寸对能源应用的影响量子点在能源领域也具有重要的应用潜力。
由于量子点具有较高的量子效率和较窄的发射光谱宽度，可以用于太阳能电池、发光二极管和荧光探针等方面。
通过调控量子点的尺寸和表面修饰，可以实现对其吸收光谱和发射光谱的调控，从而提高能源转换效率。
量子点的应用及研究进展
量子点的应用及研究进展量子点是一种具有特殊性质的纳米材料，由数十至数百个原子组成，呈现出一维、二维或三维结构。
由于其微小的尺寸和量子效应的存在，量子点具有独特的光学、电学和磁学性质，因此在许多领域中有广泛的应用。
以下是关于量子点应用及研究进展的基本介绍。
1.光学应用：量子点可被用作照明技术领域的荧光材料，可以制造出更高效的发光二极管（LED）和荧光板。
由于其可以调控颜色和发光强度的能力，量子点在显示技术中被广泛应用，如高分辨率显示器和电视显示屏等。
此外，量子点还可以用于生物荧光成像、生物传感和生物荧光标记等领域。
2.光电子学应用：量子点具有窄带隙和较高的电子迁移率特性，这使得它们成为高效能量转换材料的理想选择。
量子点太阳能电池具有高吸收效率和较低成本，已成为新型能源技术的研究热点。
此外，量子点还可用于光电子器件，如激光器、光纤通信和光传感器等领域。
3.生物医学应用：量子点在生物医学领域中有广阔的应用前景。
由于其优异的光学性质，量子点可用于生物成像，如荧光标记和生物分子探测等。
此外，量子点还可以用于药物递送系统和癌症治疗，通过调控量子点的表面性质和功能，可以实现精确、高效的药物释放和靶向治疗。
4.传感器应用：量子点作为高灵敏度和高选择性的传感器，被应用于环境监测、食品安全和生物传感等领域。
例如，量子点可以用于检测重金属离子、有机污染物和生物分子等，具有快速响应和高灵敏度。
尽管量子点在各个领域有广泛的应用前景，但目前仍存在一些挑战需要克服。
例如，量子点的合成方法和表面修饰技术需要进一步改进，以提高材料的稳定性和可控性。
此外，量子点的生物相容性和生物安全性等问题也需要重视。
总体而言，量子点的应用及研究进展正在迅速发展，各个领域都在探索量子点材料的新应用。
通过不断地研究和创新，相信量子点将在未来为我们开创更多的科技突破。
量子点发光原理
量子点发光原理
量子点发光原理，简称量子点技术或量子点发光技术，是一种利用半导体纳米材料的特性，使其在受到激发或激发光源的照射后发出可见光的技术。
量子点是一种纳米尺度的半导体材料，通常由几十个到几百个原子组成，其尺寸很小，约为1~10纳米，因此被称为“量子”。
量子点发光的原理可以通过“量子限域效应”来解释。
根据量子力学理论，当半导体材料的尺寸缩小到纳米级别时，其电子的能量级之间的间隔也相应地增大。
当外界能量作用于这些量子点时，电子会从低能级跃迁到高能级，吸收能量，并在跃迁回低能级时释放出能量。
这些能量的差别导致了发光现象的产生。
在量子点材料中，能带之间的能量级差距取决于其大小，因此可以通过控制量子点的尺寸来调节其发光颜色。
较小的量子点会导致较大的能带间隔，从而产生较高的能量级差，对应于蓝色或紫色光的发射。
而较大的量子点则对应于较低能量级差，会发射较长波长的光，如绿色或红色。
与普通的荧光材料相比，量子点具有色纯度高、发光效率高、发光色彩可调性广等优点。
这使得量子点技术在显示技术、照明、生物成像和光电器件等领域有广泛的应用前景。
总的来说，量子点发光原理基于量子特性，在纳米尺度下调控半导体材料的能带间隔，使其发出可见光。
这种技术的优越性使得它在未来的光电子学领域有着重要的应用潜力。
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
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。
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。
0 5
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
（Quantum Dot）
量子点的定义 三种效应 量子点应用领域
什么是量子点？？？
电子在各方向上运动受到局 限 （量子局限效应显著）
准零维纳米材料
（三个维度在100nm以下）
不连续电子能级结构 ——人造原子
Hale Waihona Puke 量子点的定义 三种效应 量子点应用领域
量子局限效应
nh E 8m l2
1.能量量子化 2.存在零点能 3.没有经典运动轨道，只有概率分布
因此，随着粒子质量m的增大，电子运动 范围 l的增大，量子效应减弱，当 m、l增大到 宏观数量时，量子效应消失，体系变为宏观 体系，遵循经典力学
2
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。
谢谢你们
MR.Science is never dead
激发光-虚线；发射光-实线；半峰高宽度：67nm vs. 32nm；10%峰高宽度：100nm vs. 67nm；量子点光谱优点： 无红外延伸，连续、宽激发谱
医学上的应用：荧光标记
量子点
量子点具尺寸效应，基本上高于 特定域值的光都可吸收 单一种类的量子点能够按尺寸变 化产生发光波长不同的、颜色分明 的标记物
有机染料
只有吸收合适能量光子才能从基 态升到较高的激发态，所用的光必 须是精确的波长或颜色 单一种类的染料分子，只能发出 固定波长、单一颜色的标记物
无机微晶能够承受多次的激发和光 发射
有机分子却会分解
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。
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。
量子点的原理
量子点的原理量子点是一种纳米级别的半导体材料，其特殊的量子效应使其在光电子学、生物学和材料科学等领域呈现出了广泛的应用前景。
量子点的原理涉及到固体物理学中的束缚态、能带结构和量子级的效应等方面。
在量子点中，电子被限制在三个空间维度上的束缚态能级中，这种束缚态是由于量子点的尺寸在纳米级别，导致电子具有禁闭性质。
量子点的尺寸通常在2-10纳米之间，相比于传统的晶体材料，量子点尺寸更小，其外部表面的原子数目较少，因此量子点的性质会发生明显的变化。
量子点中的束缚能级可以通过调控量子点尺寸来调节，其能级之间的能量差异决定了量子点材料的光学和电子学性质。
量子点的能量差异具有离散的特点，因为能量是量子化的，只能取离散的数值，这就是量子效应的一种体现。
具体来说，量子点的能带结构是由其禁闭性质决定的。
在传统的晶体材料中，电子以能带的形式分布在连续的能量范围内，但是在量子点中，由于其尺寸的限制，能带结构发生了改变。
量子点的能带在能量空间中出现分立的谱线，谱线之间的能量间隔由量子点的尺寸和材料特性决定。
量子效应在量子点中也发挥了重要作用。
在纳米级别的量子点中，电子的波动性质表现得很明显。
根据薛定谔方程，电子在量子点中的波函数是离散的，并且满足波函数的正交条件。
这意味着只有在满足特定的能量条件下，电子才能在量子点中存在。
量子点的原理还涉及到量子尺子。
量子点的外部表面通常由少数个原子组成，对能量敏感，具有特殊的能级。
在实际应用中，研究者可以通过改变量子点的尺寸和组成来调控其能带结构和能级分布，从而实现对光谱特性的控制。
实际应用中，量子点通过吸收和发射光的特性成为一种重要的材料，在光电子学和显示技术中有着广泛的应用。
例如，量子点可以用于制造高亮度的荧光标记剂，在生物成像和医学领域用于跟踪生物分子的运动。
此外，量子点还可以用于制造高效的太阳能电池、发光二极管和激光器等器件。
总而言之，量子点的原理涉及到束缚态、能带结构、量子效应和量子尺子等多个方面。
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
• 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。
量子点自上而下制备
量子点自上而下制备
量子点是一种纳米级半导体材料，具有特殊的光学和电学性质，常用于光电子器件和生物标记等领域。
量子点的制备方法有很多种，包括自上而下制备和自下而上制备两种主要方法。
自上而下制备是指利用已有的材料通过物理或化学手段进行加
工和制备。
对于量子点的自上而下制备，通常包括以下步骤：
1. 材料选择，选择合适的半导体材料作为量子点的基底，常用
的材料包括CdSe、CdS、InP等。
2. 制备薄膜，通过物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）等方法，在基底上制备出薄膜。
3. 制备量子点，利用光刻、电子束刻蚀等技术，在薄膜上形成
小尺寸的结构，然后通过离子束刻蚀或化学腐蚀等方法将薄膜刻蚀
成量子点。
自上而下制备的优点是可以精确控制量子点的尺寸和形状，但
也存在着制备工艺复杂、成本较高等缺点。
除了自上而下制备，还有自下而上制备方法，即通过化学合成
等方法从原子或分子水平开始制备量子点。
这种方法制备的量子点
尺寸分布较窄，成本相对较低，但对于控制尺寸和形状的要求较高。
总的来说，量子点的自上而下制备是一种重要的制备方法，通
过精密的加工工艺可以得到具有特定性质的量子点材料，对于研究
和应用具有重要意义。
量子点的发光原理
量子点的发光原理量子点发光原理是指当量子点受到激励能量后，产生光子的过程。
量子点是一种纳米级的半导体材料，其尺寸在1-10纳米之间，由几百到几千个原子组成。
由于其小尺寸的特殊结构，量子点具有特殊的光学和电学性质，能够在特定能级上储存和释放能量。
量子点的发光原理可以分为激子发光和能带发光两种机制。
激子发光是指在量子点中，电子和空穴的结合形成激子，然后激子发生跃迁并释放能量而产生光。
量子点由于体积小，表面积大，因此表面电子和空穴之间的相互作用非常强烈。
当量子点充满电子和空穴时，它们会结合形成束缚态的激子。
当外部能源激发量子点时，激子会受到能量的催化，直至达到光致发光的过程。
激子发射的光子能量与激子由较高态跃迁到较低态时释放的能量相当，从而形成可见光波段的发光。
这种发光机制称为激子发光。
另一种机制是能带发光，也称为载流子发光。
当量子点受到激发时，电子会从自由态跃迁到价带，产生载流子（电子和空穴）的重组，从而释放能量并发射光子。
由于量子点的能带结构与大尺寸的材料有所不同，它们具有更窄的能带间隙，因此载流子的跃迁能量在可见光范围内。
这种能带发光机制是量子点的重要特性之一。
量子点的发光颜色（波长）可以通过控制其尺寸和组成来调整。
根据量子点的尺寸，可以调整能带结构和能带之间的能隙，从而实现发射不同波长的光。
例如，较小的量子点会产生蓝色光，而较大的量子点则会发出红色光。
此外，量子点的发光具有其它许多优异特性。
首先，量子点的发光效率高，因为它们能够在发射光子前有效地限制损耗。
其次，量子点具有较窄的发射光谱，可以产生更纯净的颜色。
此外，量子点的发光可以在宽波长范围内连续调谐，从紫外线到近红外线，适用于各种光学应用。
总结起来，量子点的发光原理是通过激子发射或能带发射的机制，通过控制尺寸和组成，产生不同波长的光。
量子点的发光特性使其在光学材料和光电子器件等领域具有广泛应用前景。
量子点
量子点（quantum dot），是准零维(quasi-zero-dimensional)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(quantum confinement effect)特别显著。
由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，因此量子点又被称为“人造原子”(artificial atom)。
科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在二十一世纪的纳米电子学(nanoelectronics)上有极大的应用潜力。
量子点-概述量子点量子点，电子运动在三维空间都受到了限制，因此有时被称为“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子点原子”，是20世纪90年代提出来的一个新概念。
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。
小的量子点,例如胶状半导体纳米晶,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。
量子点，又可称为纳米晶，是一种由II－VI族或III－V族元素组成的纳米颗粒。
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%
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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) 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。
0 1
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。
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
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 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 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 医学成像中一种有力的荧光探针和诊断工具，对研究疾病的发病机理、特别是荧 光探针对癌细胞的成像等方面将会发挥巨大的作用。
ZnSe 量子点是一种宽禁带半导体材料，
其禁带宽度为 2.7eV(460nm) ，能发射蓝色可 见光 。由于ZnSe量子点无毒，生物相容性好， 因而也受到了研究者的重视。ZnSe量子点可 以在水相中直接合成，但是产率降低。
0 4
研 究 现 状
2、含Zn量子点
ZnO量子点也是一种宽禁带半导体材料。ZnO的结构为六方晶体纤锌矿 结构，晶格常数a=3.249，c=5.206。ZnO晶胞中每个Zn原子与4个O原子按 四面体分布，室温下其禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，比室 温热离化能 (26meV) 大很多。激子不易发生热离化。与 ZnSe(22meV) 、 ZnS(40meV)相比，ZnO是一种室温下优良的紫外发光材料。但ZnO量子点 在水相中的光学稳定性和水溶性很差 。
浅谈量子点
College of Materials Science and Engineering, Fuzhou University
组员：万佳琪、杨克伟、陈小宇、方义 导师：冯苗
目 录
Contents
1 2
量子点 量子点的分类
3
4 5
量子点制备方法
量子点研究现状 量子点的应用
0 1
量 子 点
0 1
量 子 点
基本特性
量子隧道效应：对于纳米材料来说，是不可忽视的。粒子的大小达到纳 米尺度时，电子显现出明显的波动性，当自身的能量小于宏观势垒的能 量时，纳米粒子的能量能够使其成功穿越势垒，也就是说利用穿越势垒
的方式，使得一个量子阱进入另一个量子阱，而宏观物质却没有微观粒
子的这种穿透效应，这就是量子隧道效应。
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。
0 5
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 子 点 的 应 用
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
研 究 现 状
我们且称作“量子点”。
目前，量子点生物技术首 先在医药学上得到应用， 量子点电视显示屏已经出 现，量子点 LED （ QLED ） 光源也在实验室里诞生。
2000年以后，量子点制备技术的提 高带动了其应用领域的发展，尤其 是量子点技术的光谱随尺寸可调、 斯托克斯位移大、发光效率高、发 光稳定性好等一系列独特的光学性
定义
1981 年， 1 种全新概念的纳米级半导体 发光粒子被发现，我们且称作“量子
点”。量子点是在纳米尺度上的原子和
分子的集合体，主要是由 Ⅱ-Ⅵ 族和 ⅢⅤ族元素组成的均一或核壳结构纳米颗
粒，又称半导体纳米晶体。
量子点电镜图片
量子点是由有限数目的原子组成，是准零维的纳米材料，三个维度 尺寸均在纳米数量级。
0 3
量子点的表面修饰
通常制备的量子点水溶性较差，为了改变这一状况，我们一般对量子点进 行表面修饰。常用的量子点表面修饰技术可归纳为表面无机修饰和表面有 机修饰两大类。
1、量子点表面无机修饰：单独的量子点颗粒容易受到杂质和晶格缺陷的影响，荧 光量子产率低。 当以其为核心，用另一种半导体材料包覆，形成核壳结构，可以 将量子产率提高，并在消光系数上有很强的增加，因而有很强的荧光发射。无机修 饰还有掺杂量子点，研究得较多的是CdS、ZnS、CdSe、ZnSe、CdTe等掺杂cu、Ag、 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 有机表面活性等有机配位体与量子点表面离子键合，可以提高表面原子配位的饱和来自0 1量 子 点
基本特性
量子点的基本特性有：量子表面效应、尺寸效应、量子限域效应、宏 观量子隧道效应 。
量子表面效应：随着构成量子点的原子数量的减少，粒径也随之减小， 比表面积随之增大。在化学性质方面，由于大部分原子都位于其颗粒 表面，又使得化学性质异常活泼，极易产生宏观状态条件下不能发生 的化学反应；在光学性质方面，其反射系数会随着粒径的减少而显著 降低。粒径越小，则颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现 出 宽 频 带 强 吸 收 光 谱 ， 直 至 成 为 黑 色 。
电弧法
溶胶凝胶法 微乳法
化学方法
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 制 备 方 法
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 点，从而限制了它的使用范围。
0 1
量 子 点
基本特性（光学）
1、量子点纳米颗粒具有良好的线性光学性质，主要体现在发射峰窄、 吸收峰宽 。（量子尺寸效应） 2、量子点荧光材料非常稳定，可以经受反复多次的激发，具有较高 的发光效率 。（量子限域效应） 3、量子点荧光材料的发光性质可以通过改变量子点的尺寸来加以调 控。通过改变量子点荧光材料的尺寸和化学组成可以使其荧光发射波 长覆盖整个可见光区。
0 5
1、量子点用于检测重金属离子
量 子 点 的 应 用
量子点由于其荧光特性，加入金属离子会产生荧光增强或荧光猝灭的 现象，因此，量子点可以用于重金属离子的检测。在重金属离子的检测 过程中，量子点浓度对目标重金属离子的检测有一定的影响。浓度低， 会提高其灵敏度，不过线性范围变窄，故不能准确的检测体系中重金属
能更是成为近年来研究的焦点，并
取得了重大进展 。
0 4
1、含Cd量子点的研究现状
含镉量子点有很多种，如CdSe量子点、核壳结构 CdSe/ZnS量子点、CdTe、
CdSe、CdS、CdS/ZnS、CdSe/CdS等 。早期含镉量子点通常采用胶体化学方法在有
研 究 现 状
机体系中合成。但是这样的量子点容易受杂质和晶格缺陷的影响，量子点的产率很 低。经过科学家的不断努力，利用纳米粒子的有效限域载流子效应能使其量子点产 率达到50%。但这些工作中使用的原料仍然为剧毒、易燃、昂贵和室温不稳定的二 甲基镉。近年来，人们已经开始采用无毒、稳定且价廉方法制备含镉量子点。 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。
箱形量子点
0 2
量 子 点 的 分 类
球形量子点
量子点按其几何形状
柱形量子点 立方量子点
盘形量子点和外场（电 场和磁场）诱导量子点
元素半导体量子点 按其材料组成 化合物半导体量子点 异质结量子点
按其电子与空穴的量子封闭 作用
1型量子点 2型量子点
0 3