【当前独家】量子点材料怎么做？你家糖醋排骨上就有！

2023-01-29 14:08:12 来源：科普中国

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作者：中科院物理所新媒体中心审核：罗会仟中国科学院物理研究所研究员继纳米材料之后，量子材料在这些年火了起来。当然，不止是材料，什么东西挂上个“量子”之后都立刻变得高大上了起来。毕竟量子力学这东西听上去还是有那么一点儿唬人的。（当然实际学起来更吓人）但有一种量子材料，它不需要巨大的工厂，昂贵的仪器，精妙的技法，只需要一口锅，在家里就能做出来。它就是——量子点材料。是个啥当我们遇见一个没有听过的名词时，不妨先来一套科学的“素质三连”：是个啥？有啥用？怎么做？那这量子点是个啥东西呢？顾名思义，量子点，就是能展现出量子性质的“点”。当然，这个“点”并不是真正的零维的点，而是这种材料的尺寸非常小的意思。量子点的尺寸通常在几纳米到几十纳米，这么小的尺寸足以让量子点展现出诸如量子隧穿、库伦阻塞等量子性质。

细胞上的硫化镉量子点 | 来源：参考资料[1]实际上，量子点就是一团具有特定结构的原子团簇，它们激发出来的激子量子态会在空间三个方向上都被束缚住（激子：电荷和空穴在库仑作用下形成的束缚态）。这种束缚作用很像自然界中三维状态下原子对电子的束缚作用，因此量子点也会被称为人造原子。根据组成量子点里主要元素的不同，可以将量子点分为硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化锌量子点、硫化铅量子点、硒化铅量子点、磷化铟量子点以及砷化铟量子点等。不同量子点的制备方式不同，也可以展现出不同的性质。有啥用量子点有啥用？这要从量子点的性质开始说起。量子点的性质介于半导体和离散的原子分子之间。在半导体中，电子吸收光子，从价带跃迁至导带，并在价带中留下空穴，这一对电子和空穴会在库仑作用束缚下形成激子。当组成激子的电子和空穴回到对应的基态时，激子的能量便会以光子的形式放出，便形成了荧光。

激子能级示意图 | 来源：参考资料[1]之前提到，量子点中同样会由激子，在量子点中的激子也会将能量以光子的形式放出，因此量子点通常都能发出荧光。并且量子点的光电性质通常会随着尺寸和形状的变化而变化，直径为5-6纳米的大量子点发射出更长波长的荧光，如橙光或红光；较小的量子点(2-3nm)发射较短波长的光，产生像蓝光和绿光这样的颜色的光。量子点这一优秀的可调控发光性质，使其在光电领域有着广阔的应用前景。

同一束光激发之下不同尺寸的量子点发出不同颜色的光 | 来源：参考资料[1]量子点的潜在应用包括但不限于单电子晶体管，太阳能电池，发光二极管，激光，单光子源，量子计算，细胞生物学研究，显微镜以及医学成像。特别是在显示器领域，量子点有着独特的优势。与传统显示器的不同在于，量子点显示器使用的是蓝色LED光源，前面已经介绍了，不同大小的量子点可以产生不同颜色的光，蓝色LED光经过相应量子点之后，被分别转化成红光或者绿光，再加上空白像素直接显示的蓝光，便有了红、绿、蓝的RGB光，进而组合出所需要的各种颜色。早在2006年6月份，概念版的量子点显示器便得到了提出，2013年更是有了真正的商用量子点显示器，小伙伴们家里摆着的没准儿就是量子点显示器哦~怎么做铺垫了这么多，终于到了我们开头讲的问题：怎么制备量子点材料？目前量子点材料的制备方法大致可以分为三种：化学溶液生长法、外延生长法以及电化学法。不同的方法适用于不同种类的量子点生长。我们一个一个来说。首先是化学溶液生长法，小编喜欢把这种方法叫做“大锅焖煮法“，这种方法就是将原料按照一定比例放在化学溶液中，保持一定温度加热一段时间，便可以得到量子点，简单安全又高效，并且通常对环境的破坏非常少，是很常见的一种制备方法。这里便不得不提到一种量子点材料——碳量子点材料。它的特殊之处在于，制备原料、方法都太简单了。果汁、牛奶、蛋清、维生素C、葡萄糖、草叶等等，都可以作为碳量子点的制备原料，制备过程对温度的要求也不高。小伙伴们平时吃剩的糖醋排骨不要扔，拿出来放在紫外灯光下照一照，如果看到了荧光点，那就是碳量子点。外延生长法，又可分为分子束外延生长法以及化学气相沉积法，其原理都是控制原料在特定衬底表面反应沉积，从而得到量子点。用这种方法制备得到的量子点可调控性比较高，特别是分子束外延生长，在超高真空环境中生长，得到产物的纯度会很高；缺点就是制备成本比较昂贵，释放的气体可能会污染环境。除了量子点之外，改变生长温度、时间等参数，可以让产物在衬底上进一步生长，从而得到一维纳米管材料或者二维薄膜材料。电化学法，以特定原料作为电极，并通过特定电解液形成电路，通过施加一定的交变电压便可以将量子点从原料电极上剥离下来。这种方法产率高，环境破坏小，缺点就是适用制备的量子点种类有限。除了这三种方法，还有其他很多制备量子点的方法，如电弧放电法、激光销蚀法、燃烧法、等离子体合成法等等，不同方法互有优劣，适用制备的量子点种类不同，不同方法制备得到的同种量子点性质也会有所区别。量子点材料听起来这么高端，做个饭居然就能做出来。这下子不得不多吃几次糖醋排骨了呢。（手动狗头）参考资料：[1] Quantum dot - Wikipedia[2]王振林.表面等离激元研究新进展[J].物理学进展,2009,29(03):287-324.[3]林章碧,苏星光,张皓,牟颖,孙晔,胡海,杨柏,闫岗林,罗贵民,金钦汉.用水溶液中合成的量子点作为生物荧光标记物的研究[J].高等学校化学学报,2003(02):216-220.[4]李婷,唐吉龙,方芳,房丹,方铉,楚学影,李金华,王菲,王晓华,魏志鹏.碳量子点的合成、性质及其应用[J].功能材料,2015,46(09):9012-9018+9025.

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