人造原子量子点(精)
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06-3 人造原子-量子点
（Artificial Atom—Quantum Dot）
量子点Quantum
Dots (QDs) 半导体纳米晶体（Luminescence Semiconductor nanocrystals）
什么是量子点？
量子点是准零维的纳米材料，由少量 的原子所构成。粗略的说，量子点的三个 维度的尺寸都在 100 纳米以下，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。由于量子局限效应会导致类似原 子的不连续电子能级结构，因此量子点又 被称为“人造原子”。 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21世纪的 纳米电子学上有极大的应用潜力。
分闸法产生量子点之SEM图像
量子点的制备方法小结
合 成 方 法
Top-down 晶体表面 刻蚀
组成器 件
Bottom-up 化学制 备 生物体系 标记
波长范围宽，发射峰尖锐， 发射波长可以通过纳米粒 子粒径调节，易于自组织
量子点的性质和用途
量子点可视为电子物质波的共 振腔（cavity ），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 （ potential-wall ） 较薄时，量子点中的电子可因 为穿隧效应（tunneling effect） 而逃离，可称之为开放式量子 点，类似一个开放式共振腔 （如右图），此时电子能级不 再是稳态，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。
nanoelectronics
quantum confinement effect
量子点可用来作激光器的工作物质
什么是量子点？
若要严格定义量子点，则必须由量子力学 出发。电子的物质波特性取决于其费米波 长。 λF = 2π / kF 在一般的材料中，电子的波长远小于材料 的尺寸，因此量子局限效应不显著。如果 将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长， 此时电子只能在另外两个维度所构成的二 维空间中自由运动，这样的系统我们称之 为量子阱；如果我们再将另一个维度的尺 寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维 方向上运动，我们称之为量子线；当三个 维度的尺寸都缩到一个波长以下时，就成 为量子点了。
以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点之SEM影像
量子点的制备方法
4.分闸法(split-gate approach) ： 以外加电压的方式在二维量子井平 面上产生二维局限，可控制闸极改 变量子点的形状与大小，适合用于 学术研究，无法大量生产。
以分闸法产生 GaAs/AlGaAs量 子点之SEM影像
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(single electron transistor, SET)、记忆储存、触媒以及量子计算 (quantum computing)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”。 量子点是目前理论上与实验上的热门 研究题目，世界各国无不积极投入研 究，主要领先的有美国、日本、欧盟 及俄罗斯等，台湾也正在急起直追中。
什么是量子点？
由此可见，并非小到100nm以下的材料 就是量子点，真正的关键尺寸是由电 子的德布罗意波长或平均自由程。 一般而言，电子费米波长在半导体内 较在金属内长得多，例如在半导体材 料砷化镓 GaAs中，费米波长约 40nm， 在铝金属中却只有0.36nm。
量子阱、量子线及量子点能 级比较关系示意图
量子点的制备方法
目前，量子点的制备方法主 要有以下四种. 1.化学溶胶法(chemical colloidal method)：以化 学溶胶方式合成，可制作复 层量子点(multilayered)， 过程简单，且可大量生产。
量子点的制备方法
2.自组成法(self-assembly method)：采用分子束磊晶 (molecular-beam epitaxy) 或化学气相沉积(chemical vapor deposition)过程， 并利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子 点在特定基材表面自聚生长， 可大量生产排列规则的量子 在GaAs基材上以自组成法生长 InAs量子点的STM影像 点。
(1) 对于三维体系，在固体物理中，已求得其态 密度与能量的关系是抛物线形，如图(a) 所示。
量子点研究的历史
70 年代，量子点由于其独特的光学特性,认 为其应用主要集中在电子与光学方面。 80 年代，生物学家已经对量子点产生了浓 厚的兴趣，但由于它的荧光量子产率低，工 作集中在研究量子点的基本特性方面。 1997 年以来，量子点制备技术的不断提高, 量子点已越来越可能应用于生物学研究。 量子点可作为生物探针是从1998年Alivisatos AP. 和Chan WC两个研究小组开始，此后量 子点的功能进一步被发现、推广，使之子点激光器是由一个激光母体材料和组装在 其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵 源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光 器）的结构示意图如图所示。
能态计算 对于不同维度的电子体系，许多独特 的光学性质来源于它们的态密度。态 密度是指单位体积在能量E附近单位能 量间隔内的电子态数。每一个量子态 可被自旋向上和向下的两个电子所占 据。半导体激光器从三维到二维、再 到一维、零维，这种不断发展变化的 内因在于不同维度材料的态密度不同， 从而激光器的性能不断改善。
在GaAs基材上以自组成法生长InAs量子点 的STM影像
量子点的制备方法
3.微影蚀刻法(lithography and etching)：以光束或电子 束直接在基材上蚀刻制作出所要 之图案，由于相当费时因而无法 大量生产。
以GaAs基材蚀刻窄圆柱 式量子点之SEM影像， 水平线条约0.5微米
（Artificial Atom—Quantum Dot）
量子点Quantum
Dots (QDs) 半导体纳米晶体（Luminescence Semiconductor nanocrystals）
什么是量子点？
量子点是准零维的纳米材料，由少量 的原子所构成。粗略的说，量子点的三个 维度的尺寸都在 100 纳米以下，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。由于量子局限效应会导致类似原 子的不连续电子能级结构，因此量子点又 被称为“人造原子”。 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21世纪的 纳米电子学上有极大的应用潜力。
分闸法产生量子点之SEM图像
量子点的制备方法小结
合 成 方 法
Top-down 晶体表面 刻蚀
组成器 件
Bottom-up 化学制 备 生物体系 标记
波长范围宽，发射峰尖锐， 发射波长可以通过纳米粒 子粒径调节，易于自组织
量子点的性质和用途
量子点可视为电子物质波的共 振腔（cavity ），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 （ potential-wall ） 较薄时，量子点中的电子可因 为穿隧效应（tunneling effect） 而逃离，可称之为开放式量子 点，类似一个开放式共振腔 （如右图），此时电子能级不 再是稳态，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。
nanoelectronics
quantum confinement effect
量子点可用来作激光器的工作物质
什么是量子点？
若要严格定义量子点，则必须由量子力学 出发。电子的物质波特性取决于其费米波 长。 λF = 2π / kF 在一般的材料中，电子的波长远小于材料 的尺寸，因此量子局限效应不显著。如果 将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长， 此时电子只能在另外两个维度所构成的二 维空间中自由运动，这样的系统我们称之 为量子阱；如果我们再将另一个维度的尺 寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维 方向上运动，我们称之为量子线；当三个 维度的尺寸都缩到一个波长以下时，就成 为量子点了。
以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点之SEM影像
量子点的制备方法
4.分闸法(split-gate approach) ： 以外加电压的方式在二维量子井平 面上产生二维局限，可控制闸极改 变量子点的形状与大小，适合用于 学术研究，无法大量生产。
以分闸法产生 GaAs/AlGaAs量 子点之SEM影像
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(single electron transistor, SET)、记忆储存、触媒以及量子计算 (quantum computing)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”。 量子点是目前理论上与实验上的热门 研究题目，世界各国无不积极投入研 究，主要领先的有美国、日本、欧盟 及俄罗斯等，台湾也正在急起直追中。
什么是量子点？
由此可见，并非小到100nm以下的材料 就是量子点，真正的关键尺寸是由电 子的德布罗意波长或平均自由程。 一般而言，电子费米波长在半导体内 较在金属内长得多，例如在半导体材 料砷化镓 GaAs中，费米波长约 40nm， 在铝金属中却只有0.36nm。
量子阱、量子线及量子点能 级比较关系示意图
量子点的制备方法
目前，量子点的制备方法主 要有以下四种. 1.化学溶胶法(chemical colloidal method)：以化 学溶胶方式合成，可制作复 层量子点(multilayered)， 过程简单，且可大量生产。
量子点的制备方法
2.自组成法(self-assembly method)：采用分子束磊晶 (molecular-beam epitaxy) 或化学气相沉积(chemical vapor deposition)过程， 并利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子 点在特定基材表面自聚生长， 可大量生产排列规则的量子 在GaAs基材上以自组成法生长 InAs量子点的STM影像 点。
(1) 对于三维体系，在固体物理中，已求得其态 密度与能量的关系是抛物线形，如图(a) 所示。
量子点研究的历史
70 年代，量子点由于其独特的光学特性,认 为其应用主要集中在电子与光学方面。 80 年代，生物学家已经对量子点产生了浓 厚的兴趣，但由于它的荧光量子产率低，工 作集中在研究量子点的基本特性方面。 1997 年以来，量子点制备技术的不断提高, 量子点已越来越可能应用于生物学研究。 量子点可作为生物探针是从1998年Alivisatos AP. 和Chan WC两个研究小组开始，此后量 子点的功能进一步被发现、推广，使之子点激光器是由一个激光母体材料和组装在 其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵 源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光 器）的结构示意图如图所示。
能态计算 对于不同维度的电子体系，许多独特 的光学性质来源于它们的态密度。态 密度是指单位体积在能量E附近单位能 量间隔内的电子态数。每一个量子态 可被自旋向上和向下的两个电子所占 据。半导体激光器从三维到二维、再 到一维、零维，这种不断发展变化的 内因在于不同维度材料的态密度不同， 从而激光器的性能不断改善。
在GaAs基材上以自组成法生长InAs量子点 的STM影像
量子点的制备方法
3.微影蚀刻法(lithography and etching)：以光束或电子 束直接在基材上蚀刻制作出所要 之图案，由于相当费时因而无法 大量生产。
以GaAs基材蚀刻窄圆柱 式量子点之SEM影像， 水平线条约0.5微米