量子點(diǎn) - 概述-簡介

量子點(diǎn)(quantum dot)，是準(zhǔn)零維(quasi-zero-dimensional)的納米材料，由少量的原子所構(gòu)成。粗略地說，量子點(diǎn)三個(gè)維度的尺寸都在100納米(nm)以下，外觀恰似一極小的點(diǎn)狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，所以量子局限效應(yīng)(quantum confinement effect)特別顯著。由于量子局限效應(yīng)會導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能階結(jié)構(gòu)，因此量子點(diǎn)又被稱為“人造原子”(artificial atom)。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明許多不同的方法來制造量子點(diǎn)，并預(yù)期這種納米材料在二十一世紀(jì)的納米電子學(xué)(nanoelectronics)上有極大的應(yīng)用潛力。

量子點(diǎn)，電子運(yùn)動(dòng)在三維空間都受到了限制，因此有時(shí)被稱為“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子點(diǎn)原子”，是20世紀(jì)90年代提出來的一個(gè)新概念。 量子點(diǎn)是在把導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子在三個(gè)空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。這種約束可以歸結(jié)于靜電勢(由外部的電極，摻雜，應(yīng)變，雜質(zhì)產(chǎn)生)，兩種不同半導(dǎo)體材料的界面(例如：在自組量子點(diǎn)中)，半導(dǎo)體的表面(例如：半導(dǎo)體納米晶體)，或者以上三者的結(jié)合。量子點(diǎn)具有分離的量子化的能譜。所對應(yīng)的波函數(shù)在空間上位于量子點(diǎn)中，但延伸于數(shù)個(gè)晶格周期中。一個(gè)量子點(diǎn)具有少量的(1-100個(gè))整數(shù)個(gè)的電子、空穴或空穴電子對，即其所帶的電量是元電荷的整數(shù)倍。

小的量子點(diǎn),例如膠狀半導(dǎo)體納米晶,可以小到只有2到10個(gè)納米,這相當(dāng)于10到50個(gè)原子的直徑的尺寸,在一個(gè)量子點(diǎn)體積中可以包含100到100,000個(gè)這樣的原子。自組裝量子點(diǎn)的典型尺寸在10到50納米之間。通過光刻成型的門電極 或者刻蝕半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣形成的量子點(diǎn)橫向尺寸可以超過100納米。將10納米尺寸的三百萬個(gè)量子點(diǎn)首尾 相接排列起來可以達(dá)到人類拇指的寬度。

量子點(diǎn)，又可稱為納米晶，是一種由II-VI族或III-V族元素組成的納米顆粒。量子點(diǎn)的粒徑一般介于1～10nm之間，由于電子和空穴被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射熒光。基于量子效應(yīng)，量子點(diǎn)在太陽能電池，發(fā)光器件，光學(xué)生物標(biāo)記等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

量子點(diǎn) - 分類

量子點(diǎn)按其幾何形狀，可分為箱形量子點(diǎn)、球形量子點(diǎn)、四面體量子點(diǎn)、柱形量子點(diǎn)、立方量子點(diǎn)、盤形量子點(diǎn)和外場(電場和磁場)誘導(dǎo)量子點(diǎn);按其電子與空穴的量子封閉作用，量子點(diǎn)可分為1型量子點(diǎn)和2型量子點(diǎn);按其材料組成，量子點(diǎn)又可分為元素半導(dǎo)體量子點(diǎn)，化合物半導(dǎo)體量子點(diǎn)和異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)。此外，原子及分子團(tuán)簇、超微粒子和多空硅等也都屬于量子點(diǎn)范疇。

量子點(diǎn) - 量子效應(yīng)

量子點(diǎn)獨(dú)特的性質(zhì)基于它自身的量子效應(yīng)，當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)入納米量級時(shí)，尺寸限域?qū)⒁鸪叽缧?yīng)、量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)，從而派生出納米體系具有常觀體系和微觀體系不同的低維物性，展現(xiàn)出許多不同于宏觀體材料的物理化學(xué)性質(zhì)，在非線形光學(xué)、磁介質(zhì)、催化、醫(yī)藥及功能材料等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)將對生命科學(xué)和信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及物質(zhì)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究發(fā)生深刻的影響。

1、表面效應(yīng)

表面效應(yīng)是指隨著量子點(diǎn)的粒徑減小，大部分原子位于量子點(diǎn)的表面，量子點(diǎn)的比表面積隨粒徑減小而增大。由于納米顆粒大的比表面積，表面相原子數(shù)的增多，導(dǎo)致了表面原子的配位不足、不飽和鍵和懸鍵增多.使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。這種表面效應(yīng)將引起納米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和結(jié)構(gòu)型的變化，同時(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。表面缺陷導(dǎo)致陷阱電子或空穴，它們反過來會影響量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)、引起非線性光學(xué)效應(yīng)。金屬體材料通過光反射而呈現(xiàn)出各種特征顏色，由于表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)使納米金屬顆粒對光反射系數(shù)顯著下降，通常低于1%，因而納米金屬顆粒一般呈黑色，粒徑越小，顏色越深，即納米顆粒的光吸收能力越強(qiáng)，呈現(xiàn)出寬頻帶強(qiáng)吸收譜。

2、量子限域效應(yīng)

由于量子點(diǎn)與電子的De Broglie波長、相干波長及激子Bohr半徑可比擬，電子局限在納米空間，電子輸運(yùn)受到限制，電子平均自由程很短，電子的局域性和相干性增強(qiáng)，將引起量子限域效應(yīng)。對于量子點(diǎn)，當(dāng)粒徑與Wannier激子Bohr半徑aB相當(dāng)或更小時(shí)，處于強(qiáng)限域區(qū)，易形成激子，產(chǎn)生激子吸收帶。隨著粒徑的減小，激子帶的吸收系數(shù)增加，出現(xiàn)激子強(qiáng)吸收。由于量子限域效應(yīng)，激子的最低能量向高能方向移動(dòng)即藍(lán)移。最新的報(bào)道表面，日本NEC已成功地制備了量子點(diǎn)陣，在基底上沉積納米島狀量子點(diǎn)陣列。當(dāng)用激光照射量子點(diǎn)使之激勵(lì)時(shí)，量子點(diǎn)發(fā)出藍(lán)光，表明量子點(diǎn)確實(shí)具有關(guān)閉電子的功能的量子限域效應(yīng)。當(dāng)量子點(diǎn)的粒徑大于Waboer激子Bohr半徑嶺時(shí)，處于弱限域區(qū)，此時(shí)不能形成激子，其光譜是由干帶間躍遷的一系列線譜組成。

3、宏觀量子隧道效應(yīng)

傳統(tǒng)的功能材料和元件，其物理尺寸遠(yuǎn)大于電子自由程，所觀測的是群電子輸運(yùn)行為，具有統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，所描述的性質(zhì)主要是宏觀物理量.當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時(shí)，必須要考慮量子隧道效應(yīng)。100nm被認(rèn)為是微電子技術(shù)發(fā)展的極限，原因是電子在納米尺度空間中將有明顯的波動(dòng)性，其量子效應(yīng)將起主要功能.電子在納米尺度空間中運(yùn)動(dòng)，物理線度與電子自由程相當(dāng)，載流子的輸運(yùn)過程將有明顯電子的波動(dòng)性，出現(xiàn)量子隧道效應(yīng)，電子的能級是分立的.利用電子的量子效應(yīng)制造的量子器件，要實(shí)現(xiàn)量子效應(yīng)，要求在幾個(gè)μm到兒十個(gè)μm的微小區(qū)域形成納米導(dǎo)電域。電子被“鎖”在納米導(dǎo)電區(qū)域，電子在納米空間中顯現(xiàn)出的波動(dòng)性產(chǎn)生了量子限域效應(yīng)。納米導(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的量子墊壘，當(dāng)電壓很低時(shí)，電子被限制在納米尺度范圍運(yùn)動(dòng)，升高電壓可以使電子越過納米勢壘形成費(fèi)米電子海，使體系變?yōu)閷?dǎo)電.電子從一個(gè)量子阱穿越量子墊壘進(jìn)人另一個(gè)量子阱就出現(xiàn)了量子隧道效應(yīng)，這種絕緣到導(dǎo)電的臨界效應(yīng)是納米有序陣列體系的特點(diǎn)。

4、量子尺寸效應(yīng)

通過控制量子點(diǎn)的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸，就可以方便地調(diào)節(jié)其能隙寬度、激子束縛能的大小以及激子的能量藍(lán)移等電子狀態(tài)。隨著量子點(diǎn)尺寸的逐漸減小，量子點(diǎn)的光吸收譜出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象。尺寸越小，則譜藍(lán)移現(xiàn)象也越顯著，這就是人所共知的量子尺寸效應(yīng)。

量子點(diǎn) - 應(yīng)用與前景

1、量子點(diǎn)在生命科學(xué)中的應(yīng)用

很多現(xiàn)代發(fā)光材料和器件都由半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，材料形成的量子點(diǎn)尺寸都與過去常用的染料分子的尺寸接近，因而象熒光染料一樣對生物醫(yī)學(xué)研究有很大用途。從生物體系的發(fā)光標(biāo)記物的差別上講，量子點(diǎn)由于量子力學(xué)的奇妙規(guī)則而具有顯著的尺寸效應(yīng)，基本上高于特定域值的光都可吸收，而一個(gè)有機(jī)染料分子只有在吸收合適能量的光子后才能從基態(tài)升到較高的激發(fā)態(tài)，所用的光必須是精確的波長或顏色，這明顯與半導(dǎo)體體相材料不同，而量子點(diǎn)要吸收所有高于其帶隙能量的光子，但所發(fā)射的光波長(即顏色)又非常具有尺寸依賴性。所以，單一種類的納米半導(dǎo)體材料就能夠按尺寸變化產(chǎn)生一個(gè)發(fā)光波長不同的、顏色分明的標(biāo)記物家族，這是染料分子根本無法實(shí)現(xiàn)的。

與傳統(tǒng)的染料分子相比，量于點(diǎn)確實(shí)具有多種優(yōu)勢。無機(jī)微晶能夠承受多次的激發(fā)和光發(fā)射，而有機(jī)分子卻會分解.持久的穩(wěn)定性可以讓研究人員更長時(shí)間地觀測細(xì)胞和組織，并毫無困難地進(jìn)行界面修飾連接”。量于點(diǎn)最大的好處是有豐富的顏色。生物體系的復(fù)雜性經(jīng)常需要同時(shí)觀察幾種組分，如果用染料分子染色，則需要不同波長的光來激發(fā)，而量于點(diǎn)則不存在這個(gè)問題，使用不同大小(進(jìn)而不同色彩)的納米晶體來標(biāo)記不同的生物分子。使用單一光源就可以使不同的顆粒能夠被即時(shí)監(jiān)控。量子點(diǎn)特殊的光學(xué)性質(zhì)使得它在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應(yīng)用前景。

量子點(diǎn)半導(dǎo)體

2、半導(dǎo)體量子點(diǎn)的器件應(yīng)用

半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長和性質(zhì)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，目前最常用的制備量子點(diǎn)的方法是自組織生長方式。量子點(diǎn)中低的態(tài)密度和能級的尖銳化，導(dǎo)致了量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)對其中的載流子產(chǎn)生三維量子限制效應(yīng)，從而使其電學(xué)性能和光學(xué)性能發(fā)生變化，而且量子點(diǎn)在正入射情況下能發(fā)生明顯的帶內(nèi)躍遷。這些性質(zhì)使得半導(dǎo)體量子點(diǎn)在單電子器件、存貯器以及各種光電器件等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

基于庫侖阻塞效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)制成的半導(dǎo)體單電子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人們的關(guān)注。 “半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料及量子點(diǎn)激光器”是半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)前沿性課題。這項(xiàng)工作獲得了突破性進(jìn)展，于2000年4月19日通過中國科學(xué)院科技成果鑒定。半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)材料是一種人工改性的新型半導(dǎo)體低維材料，基于它的量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿和庫侖阻塞以及非線性光學(xué)效應(yīng)等是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)，在未來的納米電子學(xué)、光電子學(xué)和新一代超大規(guī)模集成電路等方面有著極其重要的應(yīng)用前景。采用應(yīng)變自組裝方法直接生長量子點(diǎn)材料，可將量子點(diǎn)的橫向尺寸縮小到幾十納米之內(nèi)，接近縱向尺寸，并可獲得無損傷、無位借的量子點(diǎn)，現(xiàn)已成為量子點(diǎn)材料制備的重要手段之一;其不足之處是量子點(diǎn)的均勻性不易控制。 以量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的量子點(diǎn)激光器理論上具有更低的閾值電流密度、更高的光增益、更高的特征溫度和更寬的調(diào)制帶寬等優(yōu)點(diǎn)，將使半導(dǎo)體激光器的性能有一個(gè)大的飛躍，對未來半導(dǎo)體激光器市場的發(fā)展方向影響巨大。近年來，歐洲、美國、日本等國家都開展了應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)材料和量子點(diǎn)激光器的研究，取得了很大進(jìn)展。

除了采用量子點(diǎn)材料研制邊發(fā)射、面發(fā)射激光器外，在其他的光電子器件上量子點(diǎn)也得到了廣泛的應(yīng)用。

量子點(diǎn) - 量子點(diǎn)不是點(diǎn)

丹麥科技大學(xué)光電工程系(DTU)量子光學(xué)研究小組和哥本哈根大學(xué)尼爾斯·波爾研究所的科學(xué)家共同發(fā)現(xiàn)，固體光子發(fā)射器發(fā)出的光，也就是所謂的量子點(diǎn)并不是點(diǎn)，這與科學(xué)家以前一直認(rèn)識的不同，這讓科學(xué)界非常吃驚。新發(fā)現(xiàn)可能有助于改進(jìn)量子信息設(shè)備的效率，該研究發(fā)表在19日出版的《自然·物理學(xué)》雜志上。目前，科學(xué)家能夠制造和定制高效的、每次發(fā)射一個(gè)光子(光線的基本組成單元)的光源發(fā)射器。科學(xué)家將這樣的發(fā)射器稱為量子點(diǎn)，其包含數(shù)千個(gè)原子。以前，科學(xué)家認(rèn)為，量子點(diǎn)是三個(gè)維度的尺寸都在100納米以下，外觀恰似一很小的點(diǎn)狀物。但現(xiàn)在科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子點(diǎn)不能被描述成光線的點(diǎn)源，因此，科學(xué)家得出了一個(gè)令人吃驚的結(jié)論：量子點(diǎn)不是點(diǎn)?？茖W(xué)家在實(shí)驗(yàn)中將量子點(diǎn)放置在一面金屬鏡子附近，并記錄了量子點(diǎn)發(fā)射出來的光子的情況。不管是否上下翻轉(zhuǎn)，光線的點(diǎn)源(光子)都應(yīng)該擁有同樣的性質(zhì)，科學(xué)家認(rèn)為量子點(diǎn)也會出現(xiàn)這種情況。但結(jié)果表明，情況并非如此，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子點(diǎn)的方位不同，其發(fā)射出的光子數(shù)也不同。這個(gè)實(shí)驗(yàn)性的發(fā)現(xiàn)同新的光—物質(zhì)交互理論非常契合，該理論由DTU的研究人員和尼爾斯·波爾研究所的安德斯·索倫森所研發(fā)。該理論考慮了量子點(diǎn)在立體空間的擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)中金屬鏡子的表面存在著高度受限的等離子激元。等離子激元光子學(xué)是一個(gè)非常活躍和富有前景的研究領(lǐng)域，等離子激元中高度受限的光子可以應(yīng)用于量子信息科學(xué)或太陽能捕獲等領(lǐng)域。等離子激元受到強(qiáng)烈的限制也暗示著，量子點(diǎn)發(fā)出的光子能被大大地改變，量子點(diǎn)非?？赡芗せ畹入x子激元。目前的工作已經(jīng)證明，科學(xué)家可以更有效地激活等離子激元。因此，量子點(diǎn)可以被擴(kuò)展到超越原子維度的更大的維度，這表明，量子點(diǎn)能同等離子激元更有效地交互作用。這項(xiàng)工作可能為利用量子點(diǎn)的立體維度的新的納米光子器件鋪平道路。新的效應(yīng)在光子晶體、腔量子電動(dòng)力學(xué)，以及光捕捉等其他研究領(lǐng)域也具有非常重要的作用 。