2023年，诺贝尔化学奖被授予了美国化学家Moungi Bawendi, 美国化学家Louis Brus和俄罗斯固态物理学家Alexei Ekimov，以表彰他们发现和合成量子点。墨子沙龙邀请到中国科学技术大学霍永恒教授，针对量子点，来一场快问快答。
A：量子点我们就称它是"人工原子"、"人造原子"。量子点的点，主要是指它的空间的尺寸小。而量子主要是指，随着尺寸变小，它开始形成量子限制效应，就可以对我们所观察到的这一些物质的这些特性进行一个量子的调控。A：它其实是一个非常小的纳米级别的半导体颗粒，量子点的尺寸小到1~20个纳米。这是个什么尺寸呢？就像我们诺贝尔奖介绍的，足球相比于地球的大小有着数千万倍的差距，那么量子点相比足球来说也是数千万倍的差距。我们也可以理解，我们人的头发大概有100微米尺寸，头发的尺寸再减小1万倍大概就是我们量子点的大小了。A：其实量子点发光，它主要来自于我们制造量子点的材料所带来的特性。首先我们制造量子点的这种半导体材料要能发光。我们现在用的 LED、激光器等都是用的半导体材料，它发光的原理就是一个光电转化过程。我们先给它通电，或者说我们用光激发，电子从价带跃迁到导带里面形成一个“激子”。我们可以理解把电子放到一个高能量状态，当它从高能量状态往下跃迁的时候，其实就是跳回来，物理上叫做“跃迁”。这个过程中能量的差距就变成一个光的形式发射出来。因此，我们的量子点发光就来自于制造量子点的材料发光。此外，量子点本身尺寸比较小的特性，加上量子限制效应，可以使我们材料的发光过程得到一些调控。Q：为什么随着量子点大小的改变，它发光的颜色也会改变？A：量子点大小的改变使发光的颜色改变，是因为量子限制效应。我们知道我们通常说的材料，无论是胶体量子点，还是固体量子点，它其实就是一种半导体材料。半导体材料有一个能级，体材料的能级是一个连续态的发光，发光的光谱特别宽，但是它的波长相对来说不能调控。当量子点加上尺寸效应之后，即量子限制效应，我们说的能带就变成能级。从元素周期表可以看到，每一个元素它的原子都有能级，是固定的；而对于量子点，通过人工控制结构，把尺寸做到可以调控，从而束缚住这些能级。因为量子点越小，势阱越窄，不同能级之间的能量间距就变大了。变大之后，能量跃迁时，对应的光子的能量在变化。因而，光子的能量较大时就是蓝光，光子的能量较小时就是红光。所以整体来说量子点尺寸变小，量子限制效应增强，能级之间的能量间距变大，对应的波长变短，我们的颜色就变得越来越蓝。A：首先我们要回顾一下量子点发现的历史。我们知道量子点其实就是一个发光中心，发光中心最早是在玻璃里面发现的。早期的工匠调控有发光颜色的玻璃，玻璃里边掺杂一些金属元素，比如说铜、氯、金、银等等，也有掺杂一些所谓的胶体颗粒，就是化合物。在80年代，苏联的科学家，即诺奖的获得者阿列克谢，他在研究玻璃特性的时候，发现当掺杂进去的杂质（掺杂剂）颗粒特别大时，发光就跟氯化铜这种体材料发光是一样的。随着掺杂的添加剂颗粒尺寸变得越来越小，特别是变成纳米尺度的时候，波长就变蓝了，其实就是发光的波长变短了，颜色变蓝了。阿列克谢他本身是一个物理学家，对量子限制效应和量子力学非常熟悉，他在这个过程中关注到此现象后，就联想到量子限制效应了，然后开始解读这个原理。这也是科学家第一次关注到这个现象。随后不久在美国，科学家通过胶体做化学实验，化学试剂里边也有不同液态的小颗粒，他发现这种颗粒也在发光，也关注到发光的颜色随发光颗粒尺寸的变化关系。这就是科学家在生活中、生产中、做实验中观察到现象，然后提炼出来的规律，解读之后大家明白了。但这种制造方法还不是可控的，当你发现规律之后再去利用这个规律，我们诺奖说discovery and synthesis，发现、合成量子点。合成量子点是另一位获奖者通过化学试剂合成，过程中通过控制它的温度，控制添加剂的量，得到尺寸比较均匀的发光颗粒，也就是量子点。这是化学的制造技术，可以批量制造大小比较均匀的量子点。这都是此次诺奖颁发给化学家的原因，实际上，目前来说，在我们物理领域，大家也有一种物理的方法来制造量子点，叫“物理沉积方法”。比如说我自己课题组跟学生一起做，我们用这种“分子束外延技术”。这种分子束外延技术是我们华人科学家卓以和先生在美国贝尔实验室发明的技术，是目前最精准、最先进的制造技术。 我们知道半导体是一个硅片，当然我们有砷化镓的片子，在这个晶片上通过一个一个原子层来制造不同性质的材料，材料晶体尺寸是不一样的，利用材料晶体之间尺寸差异，在能带比较宽的材料上面，做这个能带比较窄的材料。当它应力释放的时候形成这种小的颗粒，实际上也就是一个10纳米以下的量子点，我们再把它覆盖住，把小颗粒放到这种大的体材料，也就是窄禁带的小颗粒放到宽禁带的材料里边，这种物理方法可以制造各种各样的量子点。总结来说，量子点有化学方法可以制造，也有物理方法可以制造。A：在大批量的制造里面，比如说我们看到的量子点电视，还有我们可能听说过量子点作为生物治病的荧光示踪材料，它在生物体里面发光示踪，这些量子点基本上都是我们现在制造的这种化学试剂去调配的，包括我们的化学CVD、化学沉积、薄膜沉积的方法来制造的。A：大家可能知道去年的诺奖是给了量子信息，量子信息也是我们中国做得比较好的，特别是我们中国科大，在量子通信、量子计算、量子精密测量做得很有特色。但是我们今年的量子点虽然是叫量子，获奖的工作跟量子信息没有直接相关，它主要是在利用量子限制效应的量子现象来制造一种新的材料。这个材料，特别是这种化学合成的材料主要应用在比如说 Quantum Dot LED、Quantum Dot Display 电视、量子点电视等等。但是具体到量子信息所用的量子点，就是我们也在用分子束外延制造的这种固态的、密度特别小且品质特别高的量子点，它被用来制造我们的量子光源，单光子源、纠缠光子源。我们知道我们如果能把一个量子点隔离出来非常小的单个量子点，用我们光学手段去给它激发出来，特别是共振激发这种方式，我们收集这个荧光，就相当于这种高能级向低能级两个能级之间的跃迁。如果我们一次激发上去一个电子，形成一个电子-空穴对，这个叫激子。我们每次发射出来是一个单个的光子，这个单光子它叫确定性的单光子源。这个确定性的单光子其实是可以用在我们这个量子通信里边，也可以用在我们光量子计算里边。大家如果学过量子物理或者学过原子物理，知道能级的占据，一个态可以由自旋相反的一对电子或者一对空穴来占据。这样的话形成一个双激子级联跃迁。当它的精细结构分裂非常小的时候，它就是一个偏振纠缠的光子对，纠缠光子对可以用来做量子纠缠的实验，包括隐形传态、量子中继里边的纠缠、信息互换等等。Q：老师刚才提了说民用领域里面大家关注的都是像Quantum Dot Display、Quantum Dot LED，那我们所谓的QLED，它跟普通的LED相比，优缺点都在哪里？A：它的优点都是来自于这个Q—— 量子。首先因为量子效应它形成能级，分立的能级之间跃迁，相对来说效率就比较高。我们说发光效率高，其实是节能，是能量浪费小。第二个优点就是说因为量子限制效应，它的波长比较容易调控。通过调节量子点的尺寸就可以调节它发光的波长。我们看到的元素周期表上的原子，每一个原子发光波长是确定的，没法调控，如果想要不同的原子，只能发现不同的元素；但量子点是人造原子，我们可以通过调制它尺寸效应来获得不同的波长。第三个优点，主要是相对于我们以前说的体材料的半导体发光，它光谱比较窄，我们知道光谱对应的光波长，光的波长对应的就是颜色，当它光谱比较窄的时候，说明它的颜色是比较锐利的，我们控制的时候，控制它发光丰富度，从而很好的调控颜色。第四个优点，是量子点特别小，（它）通过控制几个量子点构成一个像素（来发光），相比于我们通过激发某些荧光，荧光再去发光来说，色彩的对比度会好一些。第五点优势，因为量子点尺寸特别小，可能跟柔性显示、柔性屏结合的时候也会比较方便。值得一提的是，它的寿命是一个我们需要讨论的问题，因为量子点尺寸特别小，受表面态各种效应影响也比较大，所以寿命应该说是在不断地改进。现在已经足够用了，我相信随着工业技术发展，它会越来越长。A：量子点是一种化学材料，化学材料它有没有毒肯定跟选择的材料有关。比如我们目前用得比较多的一种化学合成（材料）里边有镉，镉这个材料其实是有毒的，特别到人体之后还会长期积累。只要用的原材料本身是有毒的，合成材料肯定也会有毒。而且我们知道颗粒越小越活泼，毒性还会放大。我现在用的量子点外延，就是三五族半导体砷化镓，用的砷也是有毒的，砷一旦氧化之后就是砒霜。但我们知道即使它（是）有毒的材料，如果使用中严格遵守我们的规范，那也是没有问题的。简单来说它的毒性是跟它选择的材料有关，我们首先希望选择没有毒的材料，如果我们必须用有毒的材料，或者我们不得不用的时候，我们要理解清楚它的毒性机理，并且做好防范。A：我们刚才说量子点，量子是一个词，这个点是一个词，我们从这个点的角度来说，这个点它的尺寸应该是多少？大家就选一选它尺寸到底是什么范围？本文2023年9月1日发表于微信公众号 墨子沙龙 （2023诺贝尔化学奖解读 ——量子点），风云之声获授权转载。