糖醋排骨里竟然藏著“高科技材料”！這么厲害，到底是個啥？

繼納米材料之后，量子材料在這些年火了起來。

當(dāng)然，不止是材料，什么東西掛上個“量子”之后都立刻變得高大上了起來。畢竟量子力學(xué)這東西聽上去還是有那么一點(diǎn)兒唬人的。

但有一種量子材料，它不需要巨大的工廠，昂貴的儀器，精妙的技法，只需要一口鍋，在家里就能做出來。它就是——量子點(diǎn)材料。

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是個啥？

當(dāng)我們遇見一個沒有聽過的名詞時，不妨先來一套科學(xué)的“素質(zhì)三連”：是個啥？有啥用？怎么做？

那這量子點(diǎn)是個啥東西呢？

顧名思義，量子點(diǎn)，就是能展現(xiàn)出量子性質(zhì)的“點(diǎn)”。當(dāng)然，這個“點(diǎn)”并不是真正的零維的點(diǎn)，而是這種材料的尺寸非常小的意思。量子點(diǎn)的尺寸通常在幾納米到幾十納米，這么小的尺寸足以讓量子點(diǎn)展現(xiàn)出諸如量子隧穿、庫倫阻塞等量子性質(zhì)。

細(xì)胞上的硫化鎘量子點(diǎn) | 來源：參考資料[1]

實(shí)際上，量子點(diǎn)就是一團(tuán)具有特定結(jié)構(gòu)的原子團(tuán)簇，它們激發(fā)出來的激子量子態(tài)會在空間三個方向上都被束縛住（激子：電荷和空穴在庫侖作用下形成的束縛態(tài)）。這種束縛作用很像自然界中三維狀態(tài)下原子對電子的束縛作用，因此量子點(diǎn)也會被稱為人造原子。

根據(jù)組成量子點(diǎn)主要元素的不同，可以將量子點(diǎn)分為硅量子點(diǎn)、鍺量子點(diǎn)、硫化鎘量子點(diǎn)、硒化鎘量子點(diǎn)、碲化鎘量子點(diǎn)、硒化鋅量子點(diǎn)、硫化鉛量子點(diǎn)、硒化鉛量子點(diǎn)、磷化銦量子點(diǎn)以及砷化銦量子點(diǎn)等。不同量子點(diǎn)的制備方式不同，也可以展現(xiàn)出不同的性質(zhì)。

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有啥用？

量子點(diǎn)有啥用？

這要從量子點(diǎn)的性質(zhì)開始說起。

量子點(diǎn)的性質(zhì)介于半導(dǎo)體和離散的原子分子之間。在半導(dǎo)體中，電子吸收光子，從價帶躍遷至導(dǎo)帶，并在價帶中留下空穴，這一對電子和空穴會在庫侖作用束縛下形成激子。當(dāng)組成激子的電子和空穴回到對應(yīng)的基態(tài)時，激子的能量便會以光子的形式放出，便形成了熒光。

激子能級示意圖 | 來源：參考資料[1]

之前提到，量子點(diǎn)中同樣會有激子，在量子點(diǎn)中的激子也會將能量以光子的形式放出，因此量子點(diǎn)通常都能發(fā)出熒光。并且量子點(diǎn)的光電性質(zhì)通常會隨著尺寸和形狀的變化而變化，直徑為5-6納米的大量子點(diǎn)發(fā)射出更長波長的熒光，如橙光或紅光；較小的量子點(diǎn)(2-3納米)發(fā)射較短波長的光，產(chǎn)生像藍(lán)光和綠光這樣的顏色的光。量子點(diǎn)這一優(yōu)秀的可調(diào)控發(fā)光性質(zhì)，使其在光電領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

同一束光激發(fā)之下不同尺寸的量子點(diǎn)發(fā)出不同顏色的光 | 來源：參考資料[1]

量子點(diǎn)的潛在應(yīng)用包括但不限于單電子晶體管，太陽能電池，發(fā)光二極管，激光，單光子源，量子計(jì)算，細(xì)胞生物學(xué)研究，顯微鏡以及醫(yī)學(xué)成像。

特別是在顯示器領(lǐng)域，量子點(diǎn)有著獨(dú)特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)顯示器的不同在于，量子點(diǎn)顯示器使用的是藍(lán)色LED光源，前面已經(jīng)介紹了，不同大小的量子點(diǎn)可以產(chǎn)生不同顏色的光，藍(lán)色LED光經(jīng)過相應(yīng)量子點(diǎn)之后，被分別轉(zhuǎn)化成紅光或者綠光，再加上空白像素直接顯示的藍(lán)光，便有了紅、綠、藍(lán)的RGB光，進(jìn)而組合出所需要的各種顏色。早在2006年6月份，概念版的量子點(diǎn)顯示器便得到了提出，2013年更是有了真正的商用量子點(diǎn)顯示器，小伙伴們家里擺著的沒準(zhǔn)兒就是量子點(diǎn)顯示器哦~

03

怎么做？

鋪墊了這么多，終于到了我們開頭講的問題：怎么制備量子點(diǎn)材料？

目前量子點(diǎn)材料的制備方法大致可以分為三種：化學(xué)溶液生長法、外延生長法以及電化學(xué)法。不同的方法適用于不同種類的量子點(diǎn)生長。我們一個一個來說。

首先是化學(xué)溶液生長法，小編喜歡把這種方法叫做“大鍋燜煮法“，這種方法就是將原料按照一定比例放在化學(xué)溶液中，保持一定溫度加熱一段時間，便可以得到量子點(diǎn)，簡單安全又高效，并且通常對環(huán)境的破壞非常少，是很常見的一種制備方法。

這里便不得不提到一種量子點(diǎn)材料——碳量子點(diǎn)材料。它的特殊之處在于，制備原料、方法都太簡單了。果汁、牛奶、蛋清、維生素C、葡萄糖、草葉等等，都可以作為碳量子點(diǎn)的制備原料，制備過程對溫度的要求也不高。

小伙伴們平時吃剩的糖醋排骨不要扔，拿出來放在紫外燈光下照一照，如果看到了熒光點(diǎn)，那就是碳量子點(diǎn)。

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外延生長法，又可分為分子束外延生長法以及化學(xué)氣相沉積法，其原理都是控制原料在特定襯底表面反應(yīng)沉積，從而得到量子點(diǎn)。用這種方法制備得到的量子點(diǎn)可調(diào)控性比較高，特別是分子束外延生長，在超高真空環(huán)境中生長，得到產(chǎn)物的純度會很高；缺點(diǎn)就是制備成本比較昂貴，釋放的氣體可能會污染環(huán)境。除了量子點(diǎn)之外，改變生長溫度、時間等參數(shù)，可以讓產(chǎn)物在襯底上進(jìn)一步生長，從而得到一維納米管材料或者二維薄膜材料。

電化學(xué)法，以特定原料作為電極，并通過特定電解液形成電路，通過施加一定的交變電壓便可以將量子點(diǎn)從原料電極上剝離下來。這種方法產(chǎn)率高，環(huán)境破壞小，缺點(diǎn)就是適用制備的量子點(diǎn)種類有限。

除了這三種方法，還有其他很多制備量子點(diǎn)的方法，如電弧放電法、激光銷蝕法、燃燒法、等離子體合成法等等，不同方法互有優(yōu)劣，適用制備的量子點(diǎn)種類不同，不同方法制備得到的同種量子點(diǎn)性質(zhì)也會有所區(qū)別。

量子點(diǎn)材料聽起來這么高端，做個飯居然就能做出來。這下子不得不多吃幾次糖醋排骨了呢。

參考文獻(xiàn)：

[1] Quantum dot - Wikipedia

[2]王振林.表面等離激元研究新進(jìn)展[J].物理學(xué)進(jìn)展,2009,29(03):287-324.

[3]林章碧,蘇星光,張皓,牟穎,孫曄,胡海,楊柏,閆崗林,羅貴民,金欽漢.用水溶液中合成的量子點(diǎn)作為生物熒光標(biāo)記物的研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,2003(02):216-220.

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作者｜中科院物理所新媒體中心

審核｜羅會仟 中國科學(xué)院物理研究所 研究員

出品｜科普中國-星空計(jì)劃（創(chuàng)作培育）

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