淺談量子點

CollegeofMaterialsScienceandEngineering,FuzhouUniversity組員：萬佳琪、楊克偉、陳小宇、方義導師：馮苗1量子點2量子點制備方法3量子點的分類4量子點研究現狀5量子點的應用

目錄Contents01量子點定義

1981年，1種全新概念的納米級半導體發光粒子被發現，我們且稱作“量子點”。量子點是在納米尺度上的原子和分子的集合體，主要是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素組成的均一或核殼結構納米顆粒，又稱半導體納米晶體。量子點電鏡圖片量子點是由有限數目的原子組成，是準零維的納米材料，三個維度尺寸均在納米數量級。基本特性量子點的基本特性有：量子表面效應、尺寸效應、量子限域效應、宏觀量子隧道效應。

量子表面效應：隨著構成量子點的原子數量的減少，粒徑也隨之減小，比表面積隨之增大。在化學性質方面，由于大部分原子都位于其顆粒表面，又使得化學性質異常活潑，極易產生宏觀狀態條件下不能發生的化學反應；在光學性質方面，其反射系數會隨著粒徑的減少而顯著降低。粒徑越小，則顏色越深，即納米顆粒的光吸收能力越強，呈現出寬頻帶強吸收光譜，直至成為黑色。

01量子點基本特性量子尺寸效應：量子點最大的特點是能量間隙隨著晶粒的增大而改變，晶粒越大，則能量間隙越小，反之，能量間隙越大。也就是說，量子點越小，則發光的波長越短（藍移），量子點越大，則發光的波長越長（紅移）。根據量子點的尺寸效應，我們就可以運用改變晶粒尺寸的方法來改變發光光譜，而不再需要改變量子點的化學組成。量子限域效應：量子點是由少量的原子所構成的，由于尺寸的限制，其內部電子在各方向上的運動都受到局限，不能再自由移動，這就是所謂的量子限域效應。正是這種效應導致了量子點會產生類似原子一樣的不連續電子能級結構，因此量子點又被稱為“人造原子”。這種“人造原子”在被激發時也不再有普通晶體的帶狀光譜，而具有了像原子一樣極窄的線狀光譜性質，其光譜是由帶間躍遷的一系列線譜組成。01量子點量子隧道效應：對于納米材料來說，是不可忽視的。粒子的大小達到納米尺度時，電子顯現出明顯的波動性，當自身的能量小于宏觀勢壘的能量時，納米粒子的能量能夠使其成功穿越勢壘，也就是說利用穿越勢壘的方式，使得一個量子阱進入另一個量子阱，而宏觀物質卻沒有微觀粒子的這種穿透效應，這就是量子隧道效應。基本特性01量子點基本特性（光學）1、量子點納米顆粒具有良好的線性光學性質，主要體現在發射峰窄、吸收峰寬。（量子尺寸效應）2、量子點熒光材料非常穩定，可以經受反復多次的激發，具有較高的發光效率。（量子限域效應）

3、量子點熒光材料的發光性質可以通過改變量子點的尺寸來加以調控。通過改變量子點熒光材料的尺寸和化學組成可以使其熒光發射波長覆蓋整個可見光區。

01量子點02量子點的分類柱形量子點球形量子點箱形量子點量子點按其幾何形狀1型量子點異質結量子點化合物半導體量子點元素半導體量子點2型量子點盤形量子點和外場（電場和磁場）誘導量子點立方量子點按其電子與空穴的量子封閉作用按其材料組成03量子點制備方法物理方法化學方法電弧法金屬有機分子束外延金屬有機化學氣相沉積噴霧熱解法化學沉淀法水熱法微乳法溶膠凝膠法03量子點制備方法物理方法制備的量子點具有較高的量子產率、較窄的熒光半峰寬度、較好的單分散性和穩定性，不足之處是相關設備很貴，試劑毒性大，這樣就存在量子點的生產成本高以及操作安全性等方面存在很多缺點，從而限制了它的使用范圍。

化學方法中研究最多的主要是水相合成法，這種方法合成的量子點粒徑均勻，成本低，綠色環保，缺點是會存在一些雜質，純度不高。制備方法的優缺點03量子點制備方法金屬-有機相合成：主要采用有機金屬法，在高沸點的有機溶劑中利用前驅體熱解制備量子點，前驅體在高溫環境下迅速熱解并結成核晶體緩慢成長為納米晶粒。通過配體的吸附作用阻礙晶核成長，并穩定存在于溶劑中。該方法制備的量子點具有尺度范圍分布窄，熒光量子產率高等優點。但其成本較高且生物相溶性差，量子產率降低，甚至發生完全熒光淬滅現象。無機合成路線：目前常用水溶性硫基化合物，檸檬酸等做為保護劑在水相中制備量子點。硫基化合物，檸檬酸等與量子點的穩定性、功能化有關，因此選擇帶有適當官能團的保護劑對于控制量子點的表面電荷及其他表面特征極為重要。水相合成量子點操作簡便，重復性高，成本低，表面電荷和表面性質可控，很容易引入官能團分子。量子點質量的好壞直接關系到其應用研究的開展和研究成果的優劣。量子點的表面修飾通常制備的量子點水溶性較差，為了改變這一狀況，我們一般對量子點進行表面修飾。常用的量子點表面修飾技術可歸納為表面無機修飾和表面有機修飾兩大類。1、量子點表面無機修飾：單獨的量子點顆粒容易受到雜質和晶格缺陷的影響，熒光量子產率低。當以其為核心，用另一種半導體材料包覆，形成核殼結構，可以將量子產率提高，并在消光系數上有很強的增加，因而有很強的熒光發射。無機修飾還有摻雜量子點，研究得較多的是CdS、ZnS、CdSe、ZnSe、CdTe等摻雜cu、Ag、Mn等。

2、量子點表面的有機修飾：量子點表面配位不足容易產生帶隙表面態，通過加入有機表面活性等有機配位體與量子點表面離子鍵合，可以提高表面原子配位的飽和程度。有機配位體不能同時將表面陰陽粒子完全鈍化，表面依然殘留有較多的懸鍵，鈍化效果不理想，量子產率同樣不能大幅度提高。03量子點制備方法從發現到前1個10年的時間里，人們還僅僅在學術的角度研究它的性質，又過了10年的時間也基本上沒有找到它的應用領域。1981年，1種全新概念的納米級半導體發光粒子被發現，我們且稱作“量子點”。

2000年以后，量子點制備技術的提高帶動了其應用領域的發展，尤其是量子點技術的光譜隨尺寸可調、斯托克斯位移大、發光效率高、發光穩定性好等一系列獨特的光學性能更是成為近年來研究的焦點，并取得了重大進展。目前，量子點生物技術首先在醫藥學上得到應用，量子點電視顯示屏已經出現，量子點LED（QLED）光源也在實驗室里誕生。

04研究現狀04研究現狀1、含Cd量子點的研究現狀含鎘量子點有很多種，如CdSe量子點、核殼結構CdSe/ZnS量子點、CdTe、CdSe、CdS、CdS/ZnS、CdSe/CdS等。早期含鎘量子點通常采用膠體化學方法在有機體系中合成。但是這樣的量子點容易受雜質和晶格缺陷的影響，量子點的產率很低。經過科學家的不斷努力，利用納米粒子的有效限域載流子效應能使其量子點產率達到50%。但這些工作中使用的原料仍然為劇毒、易燃、昂貴和室溫不穩定的二甲基鎘。近年來，人們已經開始采用無毒、穩定且價廉方法制備含鎘量子點。

當前研究比較多的是直接對有機相中制備的量子點進行表面修飾。此外，水相合成法由于其操作簡單、價格低廉、毒性小，且對量子點表面性質影響較小等優點，也是當前的研究熱點。

根據能帶結構的不同，量子點可以分為2類：窄禁帶量子點如CdSe(1.7eV)

CdTe(1.5eV)等；寬禁帶量子點如ZnS(3.6eV)、ZnSe(2.7eV)和ZnO(3.4eV)。ZnS是一種典型的Ⅱ-Ⅵ族半導體，屬于寬禁帶半導體材料。早期主要是將ZnS外延生長在CdSe等量子點的表面，以構成一層或多層的寬帶隙的無機材料，起到鈍化內核表面缺陷的作用，從而提高其熒光效率。后來才有人將ZnS做成單獨的量子點。ZnSe量子點是一種寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度為2.7eV(460nm)，能發射藍色可見光。由于ZnSe量子點無毒，生物相容性好，因而也受到了研究者的重視。ZnSe量子點可以在水相中直接合成，但是產率降低。04研究現狀2、含Zn量子點04研究現狀ZnO量子點也是一種寬禁帶半導體材料。ZnO的結構為六方晶體纖鋅礦結構，晶格常數a=3.249，c=5.206。ZnO晶胞中每個Zn原子與4個O原子按四面體分布，室溫下其禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達60meV，比室溫熱離化能(26meV)大很多。激子不易發生熱離化。與ZnSe(22meV)、ZnS(40meV)相比，ZnO是一種室溫下優良的紫外發光材料。但ZnO量子點在水相中的光學穩定性和水溶性很差。2、含Zn量子點05量子點的應用1、量子點用于檢測重金屬離子

量子點由于其熒光特性，加入金屬離子會產生熒光增強或熒光猝滅的現象，因此，量子點可以用于重金屬離子的檢測。在重金屬離子的檢測過程中，量子點濃度對目標重金屬離子的檢測有一定的影響。濃度低，會提高其靈敏度，不過線性范圍變窄，故不能準確的檢測體系中重金屬離子；濃度過高的話，又會降低檢測的靈敏度。緩沖溶液的種類對量子點的表面電荷有不同影響，量子點在不同的緩沖溶液中所表現出的熒光性質也有一定的差異。2、量子點在生物醫學領域的應用

量子點作為新型的熒光探針具有激發光波長范圍寬、發射光譜寬度窄、熒光強度高、穩定性好以及壽命較長等優點，這使其比傳統的有機染料具有明顯的優越性。目前已經成功應用于多種研究和應用領域，包括基本的細胞成像、臨床診斷、醫學成像。隨著量子點質量和表面修飾技術的提高，量子點在生物成像方面有著越來越廣泛的應用。量子點在生物醫學成像中的研究表明量子點完全可以達到與傳統熒光物質一樣的成像效果甚至更高，尤其是其能在活細胞中長時間的跟蹤目標分子，而傳統的熒光物質是根本無法完成的。研究表明，量子點正成為在醫學成像中一種有力的熒光探針和診斷工具，對研究疾病的發病機理、特別是熒光探針對癌細胞的成像等方面將會發揮巨大的作用。05量子點的應用3、量子點在照明領域的應用2009年，第1個量子點LED（QLED）燈泡在美國誕生。2010年，中國人取得了量子點技術顛覆性的突破，成為QLED照明進入實用化的起點。量子點是QLED發光的基本材料。實現QLED發光的主要有兩種形式：一是采用在GaN基LED中作為光轉換層，有效吸收藍光發射出波長在可見光范圍內精確可調的各色光；二是采用其電致發光形式，將其涂敷于薄膜電極之間而發光。

電致發光型QLED原理圖與傳統的光源相比QLED的白光，在原理上可以完全做到與理想照明光源一致，更加接近于自然光，并且發熱會進一步減少。QD-LED由于發光性能良好、使用壽命長，正在逐步取代傳統照明材料成為新的“綠色”發光光源。目前，國內關于LED領域的納米量子點的研究還比較少。國外LED納米量子點也還基本處于實驗室研發階段。05量子點的應用4、量子點在其他領域的應用量子點的在很多方面都有很大的應用，比如量子點在光電方面