量子点是什么?

零钱通2023-02-06  29

量子点(quantumdots,QDs)是由有限数目的原子组成,三个维度尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形,是由半导体材料(通常由II B~ⅥB或IIIB~VB元素组成)制成的、稳定直径在2~20 nil2的纳米粒子。量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体,既可由一种半导体材料组成,如由II.VI族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或III.V族元素(如InP、InAs等)组成,也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。作为一种新颖的半导体纳米材料,量子点具有许多独特的纳米性质。

量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。量子点,电子运动在三维空间都受到了限制,因此有时被称为“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子点原子”,是20世纪90年代提出来的一个新概念。 量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种约束可以归结于静电势(由外部的电极,掺杂,应变,杂质产生),两种不同半导体材料的界面(例如:在自组量子点中),半导体的表面(例如:半导体纳米晶体),或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中,但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的(1-100个)整数个的电子、空穴或空穴电子对,即其所带的电量是元电荷的整数倍。所对应的波函数在空间上位于量子点中,但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的(1-100个)整数个的电子、空穴或空穴电子对,即其所带的电量是元电荷的整数倍。

量子点(quantum dot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料,由少量的原子所构成。粗略地说,量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下,外观恰似一极小的点状物,其内部电子在各方向上的运动都受到局限,所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构,因此量子点又被称为「人造原子」(artificial atom)。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点,并预期这种纳米材料在二十一世纪的纳米电子学(nanoelectronics)上有极大的应用潜力。

量子点实际上是纳米半导体。通过施加一定的电场或光的压力,这些纳米半导体材料,它们会发出特定频率的光,这种半导体的频率变化,通过调节纳米半导体的大小可以控制它发出的光的颜色,由于纳米半导体具有有限的电子和空穴(电子眼)的特点,这一特点在本质上是相似的原子或分子被称为量子点。

量子点是重要的低维半导体材料,其所有三个维度的尺寸都不超过其相应半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般是球形或球形,直径通常在2到20纳米之间。常见的量子点由四IV-VI族或II-VI、III-V族元素。具体的例子有:硅量子点、锗量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化铅量子点、磷化铟点和砷化铟量子点等。

现代量子点技术可以追溯到20世纪70年代中期,是为解决全球能源危机而开发的。最初的研究始于上世纪80年代早期在两个实验室的科学家:路易斯博士布鲁斯在贝尔实验室Alexander Efros博士和维克托博士。不同大小的硫化镉颗粒可以产生不同的颜色。这项工作有助于理解量子限制效应,它解释了量子点大小与颜色之间的相互关系,也为量子点的应用铺平了道路。

自1997以来,随着量子点制备技术的不断改进,量子点在生物研究中的应用越来越广泛。量子点的独特性质是基于量子效应的。当粒子尺寸在纳米量级时,尺寸限制会引起尺寸效应,量子限制效应,宏观量子隧穿效应和表面效应,系统和微观系统具有不同于宏观材料的不同的物理化学性质。它们在非线性光学、磁性介质、催化、医药和功能材料等领域有着极为广阔的应用前景。


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