王虹智，张加涛
量子点其实不是“点”
量子点（quantum dot）是一种准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。简单地说，量子点三个维度的尺寸都在 100nm以下，长得特别像一个非常非常小的点状物。量子点内部的电子在各方向上的运动都受到限制，所以量子点的量子局限效应特别明显。由于量子局限效应会导致量子点的电子能级结构与单个原子类似，是一种不连续的结构，因此量子点又被称为“人造原子”。1981年，前苏联固态物理学家Alexey I. Ekimov在玻璃基体中发现量子点；1985年美国哥伦比亚大学化学学家Louis E. Brus教授在胶体中发现量子点。
那么量子点是不是点呢？其实并不真的是“点”。丹麦科技大学和哥本哈根大学的科学家共同研究发现了这一重要现象：量子点并不是点，这与科学家以前一直认识的不同，这一发现让科学界非常吃惊。以前，科学家认为，量子点是三个维度的尺寸都在100 nm以下，外观恰似一很小的点状物。但当前科学家发现，量子点不能被描述成光线的点源。那么，你们知道这个实验室是怎么做的么？其实非常简单，科学家在实验中将量子点放置在一面金属镜子附近，并记录了量子点发射出来的光子的情况。结果是：在实验过程中，不管是否上下翻转，光线的点源（光子）都应该拥有同样的性质，科学家认为量子点也会出现这种情况。但结果表明，情况并非如此，科学家发现，量子点的方位不同，其发射出的光子的个数也不同。因此，科学家得出了一个令人吃惊的结论：量子点不是点。
量子点其实是一个非常庞大的大家族，按照不同的分类方式可以有不同的分类方法：按其长的样子不同，可分为箱形量子点、球形量子点、四面体量子点、柱形量子点、立方量子点、盘形量子点和外场（电场和磁场）诱导量子点；按其材料组成，量子点又可分为元素半导体量子点，化合物半导体量子点和异质结量子点。
图1. 球形量子点结构图（图片来源：第十八届高交会睿泰涂布携量子点技术高峰论坛）
胶体中的量子点是怎么做出来的呢？
胶体量子点通常采用高温热分解有机金属前躯体的方法合成。简单来讲就是将阴离子前驱体快速注入到含有阳离子前驱体的高温反应溶液中，因此也被称为高温热注入法。这个合成方法的反应机理就是反应前驱体浓度瞬间过饱和、超过成核的临界点，然后迅速获得单分散的晶核，将量子点的成核过程和生长过程分开，实现了量子点的快速成核和缓慢生长。
图2 量子点合成装置
高温热注入法合成核壳结构量子点可以通过图2所示的装置制备，采用两步法来实现。第一步合成裸核量子点，随后在室温下经过有机溶剂反复萃取、再通过高速离心去掉反应溶剂和副产物来纯化量子点，纯化时还可以通过选择不同的离心速度来去掉大尺寸和小尺寸的裸核量子点，最后留下中间尺寸、粒径较均一的裸核量子点；第二步，将裸核量子点重新分散在反应溶液中，包覆表面壳层。
有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒。而具有直接带隙的量子点的荧光寿命可持续数十纳秒，具有准直接带隙的量子点如硅量子点的荧光寿命则可持续超过100微秒。这样在光激发情况下，大多数的自发荧光已经衰变，而量子点的荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。
量子点的奇妙特性
色彩缤纷 量子点发射出来的光的颜色可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以碲化镉量子点为例，当它的尺寸从2.5 nm生长到4.0 nm时，它们的发射波长可以从510 nm红移到660 nm。所以量子点可以发射出五颜六色的光（如图3），是不是很漂亮啊！
图3. 量子点的荧光照片（图片引自：电视常识大讲堂：什么是量子点？）
不累的眼睛 量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察。
一源多用使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了在荧光标记中的应用。而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给科学家的研究工作带来了很多不便。此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，因此多种量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。
降低生物细胞毒性 量子点可以进行生物功能基团的特异性连接，降低其细胞毒性，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。对于含镉或铅等有毒组份的量子点，可以对其表面进行包裹处理后再开展生物应用；当然可以直接通过生物环境，制备不含镉或者铅元素且在生物体中不产生毒性的化合物半导体量子点或者元素量子点。
总而言之，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色可调，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种非常理想的生物荧光探针材料。
量子点离实用有多远?
太阳能的好帮手 随着社会发展，能源需求日益増加，如何解决能源危机已经成为当前科学家最为关注的热点问题。相对于其它能源来说，太阳能是一种蕴藏量巨大、可再生和环保无污染的能源。因此如何有效地开发太阳能电池是目前在能源利用方面十分重大的课题。量子点太阳能电池的优点是显而易见的，一是量子点拥有较高的载流子迁移率，可以大幅度增加光电转化效率；二是带隙可调节，这不仅可以使激发光谱覆盖太阳光谱，增加光能利用率，还可让量子点在特定环境中工作。
量子点太阳能电池是第三代太阳能电池，也是目前最尖端、最新的太阳能电池技术。它主要通过两个效应来大幅度增加光电转换效率：第一个效应是来自具有充足能量的单光子激发产生多激子；第二个效应是在带隙里形成中间带，可以有多个带隙起作用，来产生电子空穴对。此外，它还可通过其它效应，减缓热电子-空穴对的冷却、提高电荷载流子之间的俄歇复合过程和库仑耦合、并且通过对于载流子进行三维限制，使跃迁过程不必满足动量守恒，从而提高转换效率。
最优秀的发光材料 量子点被誉为“人类有史以来发现的最优秀的发光材料”。因此，在显示领域最重要的应用就是量子点电视。它与传统液晶电视的不同主要在于采用了不同的背光源，从而带来性能上的诸多不同，比传统LED背光的传统液晶电视在画面质量与节能环保上更具优势，已成为业内液晶电视新的发展方向，如图4。
图4. TCL量子点电视（图片引自：www.jiaoanw.com）
图5是成像原理示意图。量子点电视的优势非常多，例如：全色域显示优势、窄频带连续光谱，色彩纯度高、95%接近于自然光，色彩还原能力强，显色性卓越、无机材料。稳定性强，寿命长，不易老化、精准色彩控制、效率高，节能性强、量子点电视造价成本更低等等。说不定你们晚上在家看的电视就是量子点电视哦。
图5. 量子点电视成像原理示意图（图片引自：www.modernart2008.cn）
生物医用显神通 量子点因具有足够的稳定性、良好的水溶性、不损伤细胞或生物体、足够强的荧光以便良好的观察和研究的所有特点，可作为荧光探针，成为生物分子检测的尖端技术，推动生物显像技术和生物制药技术的迅速发展，给疾病的诊断和治疗带来巨大进步。量子点在生物上的应用最为广泛也最为成熟，与传统荧光材料相比，利用量子点具有宽吸收谱、窄荧光谱、高稳定性的特点，研究者不仅可以定量研究药物的疗效，甚至能够实时监测药物的作用机制。主要的应用有细胞成像和分子示踪两方面。与细胞标记相比，分子示踪对技术要求更进一步。在实际临床上，研究者不仅可以检测细胞的动向，同时可以定向研究药物在病体中的起效趋势，具有实时分析的重要意义。当然目前的量子点的应用还不尽人意，但是我们知道了量子点的种种优点和特性，就看到了量子点的未来和发展方向。量子点将有非常广阔的应用空间，大致可以分为三个阶段：第一步：取代传统的发光荧光粉；第二步：去掉彩色滤光片；第三步：正式成为发光层。未来的量子点技术必然会给显示器行业带来根本性的变化，甚至是革命，但还有很长的一段路要走，让我们一起努力去实现！
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我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。本书涵盖了18种最新的前沿新材料，主要包括信息智能仿生材料、纳米材料、医用材料以及新能源和环境材料。所选内容既有我国已经取得的一批革命性技术成果，也有国际前沿材料、先进材料的研究成果，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。目 录