量子點材料怎么做？你家糖醋排骨上就有！

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

繼納米材料之后，量子材料在這些年火了起來。

當然，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兒唬人的。

（當然實際學(xué)起來更嚇人）

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——量子點材料。

是個啥

當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

啥？有啥用？怎么做？

那這量子點是個啥東西呢？

顧名思義，量子點，就是能展現(xiàn)出量子性質(zhì)的“點”。當然，這個“點”并不是真正的零維的點，而是這種材料的尺寸非常小的意思。量子點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展現(xiàn)出諸如量子隧穿、庫倫阻塞等量子性質(zhì)。

細胞上的硫化鎘量子點 | 來源：參考資料[1]

實際上，量子點就是一團具有特定結(jié)構(gòu)的原子團簇，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?。ぷ樱弘姾珊涂昭ㄔ趲靵鲎饔孟滦纬傻氖`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，因此量子點也會被稱為人造原子。

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

有啥用

量子點有啥用？

這要從量子點的性質(zhì)開始說起。

量子點的性質(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，量子點中同樣會由激子，在量子點中的激子也會將能量以光子的形式放出，因此量子點通常都能發(fā)出熒光。并且量子點的光電性質(zhì)通常會隨著尺寸和形狀的變化而變化，直徑為5-6納米的大量子點發(fā)射出更長波長的熒光，如橙光或紅光；較小的量子點(2-3nm)發(fā)射較短波長的光，產(chǎn)生像藍光和綠光這樣的顏色的光。量子點這一優(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發(fā)出不同顏色的光 | 來源：參考資料[1]

量子點的潛在應(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，量子計算，細胞生物學(xué)研究，顯微鏡以及醫(yī)學(xué)成像。

特別是在顯示器領(lǐng)域，量子點有著獨特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)顯示器的不同在于，量子點顯示器使用的是藍色LED光源，前面已經(jīng)介紹了，不同大小的量子點可以產(chǎn)生不同顏色的光，藍色LED光經(jīng)過相應(yīng)量子點之后，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光，便有了紅、綠、藍的RGB光，進而組合出所需要的各種顏色。早在2006年6月份，概念版的量子點顯示器便得到了提出，2013年更是有了真正的商用量子點顯示器，小伙伴們家里擺著的沒準兒就是量子點顯示器哦~

怎么做

鋪墊了這么多，終于到了我們開頭講的問題：怎么制備量子點材料？

目前量子點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，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材料——碳量子點材料。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，那就是碳量子點。

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。用這種方法制備得到的量子點可調(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，缺點就是適用制備的量子點種類有限。

除了這三種方法，還有其他很多制備量子點的方法，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，適用制備的量子點種類不同，不同方法制備得到的同種量子點性質(zhì)也會有所區(qū)別。

量子點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。（手動狗頭）

參考資料：

[1] Quantum dot - Wikipedia

[2]王振林.表面等離激元研究新進展[J].物理學(xué)進展,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作為生物熒光標記物的研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,2003(02):216-220.

[4]李婷,唐吉龍,方芳,房丹,方鉉,楚學(xué)影,李金華,王菲,王曉華,魏志鵬.碳量子點的合成、性質(zhì)及其應(yīng)用[J].功能材料,2015,46(09):9012-9018+9025.

文章由科普中國-星空計劃（創(chuàng)作培育）出品，轉(zhuǎn)載請注明來源