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?      量子點(diǎn)是納米技術(shù)最具創(chuàng)新性的成果之一，以其可調(diào)的光學(xué)和電子特性而聞名。由于量子限制現(xiàn)象，這些納米級半導(dǎo)體晶體會根據(jù)其尺寸發(fā)出不同顏色的光。這一概念最早于20世紀(jì)80年代初被探索，此后已發(fā)展成為一項應(yīng)用于顯示器、醫(yī)療診斷和太陽能電池的實用技術(shù)。如今，像增運(yùn)納米這樣的企業(yè)通過生產(chǎn)高純度、尺寸可控的量子點(diǎn)，為工業(yè)和學(xué)術(shù)應(yīng)用貢獻(xiàn)力量，推動了這項技術(shù)的進(jìn)步。

量子點(diǎn)簡史

      量子點(diǎn)背后的奠基性發(fā)現(xiàn)始于蘇聯(lián)物理學(xué)家阿列克謝·埃基莫夫（Alexei Ekimov）。他在20世紀(jì)80年代初觀察到了嵌入玻璃的半導(dǎo)體納米晶體中尺寸相關(guān)的量子效應(yīng)。不久之后，路易斯·布魯斯（Louis Brus）在膠體體系中演示了類似的量子限制現(xiàn)象，驗證了理論原理。20世紀(jì)90年代，蒙吉·巴文迪（Moungi Bawendi）開發(fā)出合成方法，能夠控制生產(chǎn)高光學(xué)質(zhì)量的單分散膠體量子點(diǎn)，該領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。這些突破共同將量子點(diǎn)從理論構(gòu)想轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓴U(kuò)展的納米材料。為了表彰這些貢獻(xiàn)，埃基莫夫、布魯斯和巴文迪被授予2023年諾貝爾化學(xué)獎（瑞典皇家科學(xué)院，2023年）。

什么是量子點(diǎn)？

      量子點(diǎn)是直徑在2納米至10納米之間的半導(dǎo)體納米晶體。由于尺寸較小，量子點(diǎn)內(nèi)的電子和空穴在三維空間中被限制，從而產(chǎn)生類似于原子的量子化能級。這帶來了一種獨(dú)特且非常有用的特性：尺寸可調(diào)的光致發(fā)光。較小的量子點(diǎn)發(fā)射能量較高的藍(lán)光，而較大的量子點(diǎn)發(fā)射能量較低的紅光。

      這種行為是量子限制效應(yīng)的直接結(jié)果，其中材料的帶隙取決于粒子的尺寸。因此，只需控制粒子尺寸，就可以設(shè)計出單一材料成分，使其發(fā)射一系列顏色光譜。這種可調(diào)性伴隨著高量子產(chǎn)率、光穩(wěn)定性和窄發(fā)射譜，使量子點(diǎn)成為成像、傳感、照明和顯示應(yīng)用的理想選擇。

      量子點(diǎn)已應(yīng)用于多種先進(jìn)技術(shù)，且通常默默無聞。它們被用于高清QLED顯示屏，使屏幕更加生動、節(jié)能。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，量子點(diǎn)可作為高度穩(wěn)定的熒光探針，用于追蹤細(xì)胞并在分子水平上診斷疾病。在太陽能研究中，量子點(diǎn)正在下一代光伏電池中進(jìn)行測試，這些電池有望實現(xiàn)更高的效率和設(shè)計靈活性。盡管這些應(yīng)用的成熟度各不相同，但它們都充分利用了量子點(diǎn)的核心優(yōu)勢：在納米尺度上精確控制光和能量。

量子點(diǎn)為何如此重要？

      量子點(diǎn)的意義在于它能夠彌合基礎(chǔ)量子力學(xué)與實際技術(shù)之間的差距。其重要性可以概括為三個關(guān)鍵維度：

      原子級控制：量子點(diǎn)由于其量化的能量狀態(tài)和可調(diào)特性，具有精確的光學(xué)和電子行為。

      跨學(xué)科相關(guān)性：從光電子學(xué)和可再生能源到生物傳感和安全，量子點(diǎn)是解決特定領(lǐng)域挑戰(zhàn)的多功能工具。

      可擴(kuò)展的納米制造：化學(xué)合成領(lǐng)域的創(chuàng)新，特別是獲得2023年諾貝爾獎的創(chuàng)新，使得能夠大規(guī)模生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的量子點(diǎn)。

      在增運(yùn)納米，我們深知量子點(diǎn)在當(dāng)前和未來技術(shù)中的戰(zhàn)略作用。通過為研發(fā)提供高質(zhì)量、尺寸可控的量子點(diǎn)，我們支持大學(xué)、實驗室和工業(yè)研發(fā)中心提升其納米技術(shù)能力。

量子點(diǎn)的種類、制作方法及應(yīng)用

      量子點(diǎn)是一類廣泛的半導(dǎo)體納米晶體，其成分、合成方法和最終用途各不相同。了解它們的類型、制造方法和用途，有助于全面了解它們在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)性。

量子點(diǎn)的類型

      鎘基量子點(diǎn)（CdSe、CdTe、PbS）

      這些是經(jīng)典的硫族化物量子點(diǎn)，因其高光致發(fā)光量子產(chǎn)率和窄發(fā)射譜而被廣泛研究。它們通常通過膠體法或熱注入技術(shù)合成，從而可以精確控制尺寸和發(fā)射波長。

      應(yīng)用：QLED 顯示器（背光增強(qiáng)）、研究中光學(xué)標(biāo)記、發(fā)光二極管（LED）、磷化銦（InP）量子點(diǎn)

      作為無鎘替代品，InP量子點(diǎn)因其低毒性和良好的光學(xué)性能而備受青睞。它們采用類似的膠體合成方法，并結(jié)合強(qiáng)化的純化工藝制備而成。

      應(yīng)用：消費(fèi)級顯示器和監(jiān)視器、生物醫(yī)學(xué)成像（更安全的熒光探針）、光伏電池、鈣鈦礦量子點(diǎn)（例如 CsPbBr?）

      這些量子點(diǎn)表現(xiàn)出異常尖銳的發(fā)射峰和高光致發(fā)光特性，使其成為顯示和光電應(yīng)用的理想選擇。通常采用基于微反應(yīng)器的合成來提高均勻性和產(chǎn)量。

      應(yīng)用：下一代LED照明、鈣鈦礦太陽能電池、光電探測器、石墨烯量子點(diǎn)（GQD）

      GQDs是石墨烯片層的納米級碎片，具有獨(dú)特的邊緣效應(yīng)和優(yōu)異的生物相容性，可采用綠色化學(xué)方法或石墨氧化切割法合成。

      應(yīng)用：藥物輸送和生物成像、生物傳感器和電化學(xué)檢測、光動力療法

碳量子點(diǎn)（CQD）

      膠體量子點(diǎn) (CQD) 可采用自下而上的方法從有機(jī)前體合成，或采用自上而下的技術(shù)（例如激光燒蝕）合成。膠體量子點(diǎn)無毒、經(jīng)濟(jì)高效，且易分散于水中。

      應(yīng)用：用于安全和防偽的熒光油墨、環(huán)境感知、太陽能光催化

量子點(diǎn)是如何制成的？

      量子點(diǎn)的合成對其性能、穩(wěn)定性和可調(diào)性至關(guān)重要。由于量子點(diǎn)的光學(xué)和電子特性高度依賴于尺寸，因此即使是納米級的合成條件變化也會導(dǎo)致行為的顯著差異。多年來，人們已經(jīng)開發(fā)出多種生產(chǎn)方法，以滿足研究和工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的需求。

膠體合成

      膠體合成是生產(chǎn)量子點(diǎn)最常用的方法。在該過程中，前體化學(xué)物質(zhì)在表面活性劑（配體）存在下溶解在高沸點(diǎn)溶劑中。這些配體與生長中的納米晶體表面結(jié)合，有助于控制其尺寸、形狀和溶解度。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)的尺寸控制和高量子產(chǎn)率，使其成為顯示器和生物成像等需要光學(xué)精度的應(yīng)用的理想選擇。

熱注射法

      熱注入技術(shù)是一種特殊的膠體合成技術(shù)，它涉及將前驅(qū)體快速注入熱溶劑中，從而引發(fā)成核。通過精確控制溫度和時間，將成核與生長分離，從而產(chǎn)生尺寸分布較窄的量子點(diǎn)。該方法廣泛用于在實驗室規(guī)模生產(chǎn)CdSe、CdTe和InP量子點(diǎn)，且具有較高的可重復(fù)性。

微反應(yīng)器輔助連續(xù)合成

      為了克服批量工藝的可擴(kuò)展性限制，微流體和基于流動的反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生。這些系統(tǒng)能夠在連續(xù)流動中精確控制溫度、混合和反應(yīng)時間，從而實現(xiàn)均勻的產(chǎn)品質(zhì)量和高通量生產(chǎn)。微反應(yīng)器尤其適用于鈣鈦礦量子點(diǎn)等敏感成分。

綠色化學(xué)方法

      日益增長的環(huán)境問題加速了人們對可持續(xù)合成路線的興趣。這些路線包括使用無毒溶劑、可再生前體和低能耗工藝。例如，碳和石墨烯量子點(diǎn)可以利用水熱或微波輔助技術(shù)從有機(jī)廢物或生物質(zhì)中合成，這使得它們在生物相容性和環(huán)保應(yīng)用方面具有吸引力。

自上而下的技術(shù)

      與自下而上的方法不同，自上而下的方法涉及通過化學(xué)氧化、激光燒蝕或電化學(xué)蝕刻將較大的材料（例如石墨或碳納米管）分解成納米級量子點(diǎn)。這些方法通常用于制備石墨烯量子點(diǎn) (GQD) 和碳量子點(diǎn) (CQD)，它們因其功能性表面基團(tuán)和優(yōu)異的水溶性而備受重視。

量子點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域

顯示技術(shù)（QLED 及更高版本）

      量子點(diǎn)因其窄發(fā)射光譜和高色純度而被用于量子點(diǎn)發(fā)光二極管 (QLED)顯示器。量子點(diǎn)能夠?qū)⑺{(lán)色 LED 背光轉(zhuǎn)換為高飽和度的紅色和綠色，從而提升下一代電視和顯示器的能效和視覺性能。

醫(yī)學(xué)成像和診斷

      量子點(diǎn)具有極強(qiáng)的光穩(wěn)定性和尺寸可調(diào)的熒光特性，可作為活體成像、癌癥檢測和生物標(biāo)志物追蹤的熒光探針，能夠在細(xì)胞和分子水平上實現(xiàn)生物結(jié)構(gòu)的高分辨率可視化。

光伏和太陽能轉(zhuǎn)換

      量子點(diǎn)在第三代太陽能電池（例如量子點(diǎn)敏化太陽能電池 (QDSSC)和基于量子點(diǎn)的串聯(lián)電池）中得到了廣泛的探索。它們的尺寸相關(guān)帶隙可以更好地吸收太陽光譜，有望提高能量轉(zhuǎn)換效率并實現(xiàn)靈活的設(shè)計架構(gòu)。

量子計算和光子學(xué)

      量子點(diǎn)充當(dāng)量子比特或單光子發(fā)射器，在量子信息處理和安全通信系統(tǒng)中至關(guān)重要。其離散能級和可控發(fā)射特性支持可擴(kuò)展的光子量子系統(tǒng)。

LED照明和激光器

      量子點(diǎn)集成到LED架構(gòu)中后，可實現(xiàn)高顯色性和可調(diào)白光發(fā)射，非常適合固態(tài)照明。此外，量子點(diǎn)激光器也正處于研發(fā)階段，該激光器具有低閾值電流和可調(diào)波長的特性。

生物傳感器和環(huán)境監(jiān)測

      量子點(diǎn)用于基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移 (FRET)的生物傳感器，以檢測 DNA、毒素或金屬離子。量子點(diǎn)的高表面積體積比和高靈敏度使其成為環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中超痕量檢測的理想選擇。

安全與防偽

      量子點(diǎn)獨(dú)特的光學(xué)指紋（包括尺寸相關(guān)的發(fā)射和光致發(fā)光壽命）使它們能夠嵌入安全油墨、跟蹤標(biāo)簽以及高安全性文件和產(chǎn)品的認(rèn)證系統(tǒng)中。

結(jié)論

      量子點(diǎn)是納米工程如何重塑宏觀系統(tǒng)的有力證明。它們已從理論上的奇思妙想轉(zhuǎn)變?yōu)榭缈茖W(xué)和工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的工具。量子點(diǎn)憑借其可調(diào)特性、可擴(kuò)展的合成和跨領(lǐng)域的應(yīng)用，彰顯了納米技術(shù)在現(xiàn)代社會的威力。隨著像Nanografi這樣的創(chuàng)新者不斷拓展高性能量子點(diǎn)的應(yīng)用，它們對材料科學(xué)、電子學(xué)和生命科學(xué)的影響將愈發(fā)深遠(yuǎn)。

常見問題 (FAQ)

簡單來說，量子點(diǎn)是什么？

      量子點(diǎn)是微小的半導(dǎo)體粒子，當(dāng)暴露在光線下時，它們會根據(jù)大小發(fā)出不同的顏色。

為什么量子點(diǎn)會發(fā)出不同的顏色？

      因為它們的電子特性會隨著尺寸的變化而變化——較小的量子點(diǎn)發(fā)出藍(lán)光，較大的量子點(diǎn)發(fā)出紅光。

量子點(diǎn)目前應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？

      QLED 顯示器、醫(yī)學(xué)成像、太陽能電池和實驗量子計算。

量子點(diǎn)安全嗎？

      有些量子點(diǎn)含有有毒物質(zhì)，但更安全的無鎘替代品正在開發(fā)中。

增運(yùn)納米如何參與量子點(diǎn)研究？

      增運(yùn)納米為研究和工業(yè)開發(fā)提供高純度、尺寸可控的量子點(diǎn)。