量子点：赋予元素周期表新维度 　　

　　10月4日，2023年诺贝尔化学奖公布，授予3位美国科学家：蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫，以表彰他们在“量子点的发现和合成”中作出的开创性贡献。

　　20世纪80年代初，阿列克谢·叶基莫夫成功地在有色玻璃中创造出依赖于尺寸的量子效应，其颜色来自氯化铜纳米颗粒。几年后，路易斯·布鲁斯成为世界上第一位证明流体中自由漂浮粒子的尺寸也依赖量子效应的科学家。到了1993年，蒙吉·巴文迪彻底改变了量子点的化学生产方式。他们让纳米技术有了颜色，元素周期表从此有了第三个维度。 如今，量子点相关的材料和技术已经大量问世。什么是量子点?有哪些制备方法和潜在应用?对此，本文进行详细的专业解读。

　　原理：性质随粒径大小变化

　　按照目前多数对于量子点的简述，即当物体缩小到纳米尺寸时，物体性质会随粒径大小发生变化。这种物体称为量子点。但这不符合实验事实和生活经验。实际上，只有半导体材料的纳米级微粒——半导体纳米晶才能称为量子点。

　　从材料角度看，目前常见的量子点原料，是硫化镉、硒化镉、碲化镉、石墨烯等半导体材料。之所以只能选用半导体材料，在于半导体材料存在能带隙，即半导体导带的最低点和价带的最高点的能量之差。量子点具有介于块状半导体和离散原子或分子之间的性质，它们的光电特性随着尺寸和形状的变化而变化。当半导体材料粒径足够小时，导带因光电效应被激发的电子可以落回价带，将其能量释放为光。根据粒径大小，释放的能量不同，而由于光速一致，必然导致释放出光的波长不同，最终释放出不同颜色的光。

　　故而，量子点释放光的颜色取决于导带和价带之间的能量差。直径为5~6纳米的较大量子点发射更长波长的光，如橙光或红光;较小的量子点发射较短波长的光，产生蓝光和绿光。具体颜色由量子点的确切成分和粒径共同决定。因为量子点粒径影响性质的特点，量子点的发现也被认为赋予了元素周期表新的维度。

　　量子点的特点还不限于特别的光致发光性能。量子点的吸收和发射特征呈现量子特性，十分类似于原子，故有时被称为人造原子。

　　物理学家研究表明，量子点中的电子波函数与真实原子中的电子波函数相似。通过耦合两个或多个这样的量子点，可以制造人造分子，进而表现出独特的光学和电子特性。

　　制备：高温热注入法是主流

　　有经验的研究人员，从“半导体纳米晶”这个词，想到一些制备思路。

　　胶体半导体纳米晶制备是最基础的一类量子点制备方法，与传统的化学工艺非常相似。研究人员在高温下加热溶液，前体分解形成单体，然后成核并生成纳米晶体。

　　其中，温度是确定纳米晶体生长最佳条件的关键因素。它必须足够高，以便在合成过程中允许原子的重排和退火，同时足够低以促进晶体生长。单体浓度是纳米晶生长过程中必须严格控制的另一个关键因素，这是因为浓度与纳米晶生长程度和粒径分布密切相关。

　　胶体方法可以生产许多不同的半导体，如硫化铅、硒化铅、硒化镉、硫化镉、碲化镉、砷化铟和磷化铟，是最常见的实验室量子点制备方法。除了胶体法，量子点还可以用等离子体法、自组装法、病毒组装法和电化学法合成。

　　不过，在大规模生产方面，量子点的最主要商业生产方法是高温热注入法。该工艺已被多家跨国化企扩展至量子点的商业应用。高温热注入法是广泛应用于多个领域的经典化学合成方法，思路是先使材料自发合成，再通过外部物理冷却快速终止化学合成，通常只有几秒钟。

　　量子点的另一种商业生产方法是分子晶种法。该过程利用分子簇化合物的相同分子作为纳米颗粒生长的成核位点，通过在中等温度下定期添加前体来维持颗粒生长，直到达到所需的粒径。

　　应用：潜在应用场景广阔

　　目前，量子点的最重要应用是量子点显示技术。使用时，将涂覆了量子点的薄膜覆于液晶显示屏上，利用纳米晶受到光电激发时发出单色光的特点，提升显示屏的色域值，让色彩更加纯净鲜艳。

　　不仅如此，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、激光器、量子计算、细胞生物学研究和医学成像。对于胶体法制备的量子点，还可用于喷墨打印和旋涂。

　　量子点具有开发全光学系统的潜在应用前景，它们已经显示出库仑阻塞效应，是未来生产单电子晶体管的关键。量子点也被认为是量子信息处理中实现量子比特的重要元件。使用量子点进行高灵敏度的细胞成像已取得了重大进展。目前，生物学家已经可以利用量子点高分辨率的三维图像，并长期跟踪单个分子和细胞。同理，量子点对靶向癌症治疗或许有重大利好。

　　不过，量子点也有自身问题。由于早期的量子点多含有镉元素，而镉有剧毒，在世界上许多地区已经被限制甚至禁止，欧盟甚至一度因此给QLED显示器判了“死刑”。近年，跨国化企已经开发了不含镉的量子点。量子点本身的毒理作用也在研究中，生物学家认为其有进入细胞器和诱导DNA链突变的风险，但目前尚无定论。