量子点

　　当构成固体的微粒小到一定程度时，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，引起量子限域效应，电子被“锁”在纳米导电区域，纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电．电子从一个量子阱穿越量子垫垒进人另一个量子阱就出现了量子隧道效应，在单电子晶体管只要控制单个电子的运动，就可以观测到单电子隧道效应，即可实现读写功能，其响应速度可提高10~3量级。

　　微粒尺寸越小，表面原子所占的比例越大，因而其表面活性很高。表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对光反射系数显着下降，通常低于1%，因而纳米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。

　　量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质，在非线形光学、磁介质、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景，同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。

　　1 表面效应

　　表面效应是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。由于纳米颗粒大的比表面积，表面相原子数的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增多．使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对光反射系数显着下降，通常低于 ，因而1%纳米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。

　　2 量子限域效应

　　由于量子点与电子的 De Broglie 波长、相干波长及激子 Bohr 半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应。对于量子点，当粒径与 Wannier 激子 Bohr 半径 aB相当或更小时，处于强限域区，易形成激子，产生激子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收系数增加，出现激子强吸收。由于量子限域效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝移。最新的报道表面，日本 NEC 已成功地制备了量子点阵，在基底上沉积纳米岛状量子点阵列。当用激光照射量子点使之激励时，量子点发出蓝光，表明量子点确实具有关闭电子的功能的量子限域效应。当量子点的粒径大于 Waboer激子Bohr半径岭时，处于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是由干带间跃迁的一系列线谱组成。

　　3 宏观量子隧道效应

　　传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量．当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑量子隧道效应。100nm被认为是微电子技术发展的极限，原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性，其量子效应将起主要功能．电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过程将有明显电子的波动性，出现量子隧道效应，电子的能级是分立的．利用电子的量子效应制造的量子器件，要实现量子效应，要求在几个μm到儿十个μm的微小区域形成纳米导电域。电子被“锁”在纳米导电区域，电子在纳米空间中显现出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电．电子从一个量子阱穿越量子垫垒进人另一个量子阱就出现了量子隧道效应，这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。 量子功能器件不仅仅在于功能元件尺寸的减小，更重要是纳米尺寸的功能器件所依赖的量子效应．在纳米电子器件中，最具有特色的是单电子器件．其典型结构是量子点，它的电子结构特点是一个势阱内具有分立能级的量子点。在单电子晶体管只要控制单个电子的运动，就可以观测到单电子隧道效应，即可实现读写功能，其响应速度可提3高 10 量级。这种单电子输运现象在 C60 和C 纳米管中已经得到观测．目前，室温单电子器件，例如单电子晶体管、单电子超高密度存储器，是纳米电子学的热点研究方向之一。

　　4 量子尺寸效应

　　通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱出现蓝移现象。尺寸越小，则谱蓝移现象也越显着，这就是人所共知的量子尺寸效应。

　　量子点的应用主要有四个领域：量子计算，生物，光电器件以及光发射器件。

　　量子点在固态量子计算中的应用，通过在石墨两端加载小的电压，流经量子点的电子流可被控制从而实现对自旋以及其它特性的精确测量，对纠缠量子点或者量子位元的操作，使得量子计算得以实现。

　　量子点在生物体系中作为荧光探针：与传统的荧光探针相比，纳米晶体的激光光谱宽，且连续分布，而发射光谱呈对称分布且宽度窄，颜色可调，即不同大小的纳米晶体能被单一波长的光激发而发出不同颜色的光，并且光化学稳定性高，不易分解。如果能解决不同材料的量子点偶联问题，就可以用量子点代替很多荧光染料分子，从而在细胞器定位、信号转导、原位杂交、胞内组分的运动和迁移等研究中发挥巨大作用。例如，可以将量子点交联在特异性抗体上，而这些抗体是可以和细胞内不同的细胞器和骨架系统特异性结合，就相当于给各种细胞器或骨架系统贴上了“标签”，可以分辨不同的细胞器或骨架系统。由于大小不同、材料不同的量子点受到光激发后发出一系列不同颜色（光谱）的光，且发射的荧光强度足以使光学设备检测到单独的量子点。加之量子点很稳定，一般在数个小时内可经受反复的激发，而光学特性不会有明显变化，假如两个分子之间可发生相互作用，则标记其上的不同的量子点就会互相靠近，那么在这一区域中的光谱就会发生变化，成为两个光谱的叠加，在合适的条件下，甚至可能发生能量转移，即受体量子点的荧光增强。如果将某一生物过程中有关生物分子标记上不同颜色的量子点，就可能实现对活细胞内部分子的监测，或实时观测给体-受体的相互作用。同时量子点可提供的可能性还远远不止这些。将聚合物与量子点结合(镶嵌或包覆)组合聚合物微珠，这种微珠能够包裹或外携几种不同尺寸(不同颜色)的量子点，当这些胶珠被照射后，它们就开始发光，被棱镜传出,产生几种指定密度的清晰谱线--特殊的条形码, 而形成相当大数目的标签(甚至达到几十亿的数量)，可以附在不同基因序列组成的ＤＮＡ分子上。将样品中的基因同已知的ＤＮＡ序列库进行比较，就可以找出在细胞和组织里的活性基因，所需要的就是简单地将检测样品的谱线与微珠库中的谱线对照并读取粘在样品上的ＤＮＡ序列。

　　量子点用在生物芯片研究中，如在现有的研究蛋白质与蛋白质相互作用的蛋白质芯片应用中，尽管芯片上有“海量”的蛋白质，但由于受目前荧光探针性能的限制，一次通常只能将一种(或很少几种)标记了荧光探针的蛋白质与芯片作用，并进行检测。要研究多个蛋白质就只能多次重复上述操作,因此,这种芯片只是“单高通量”的。如果在应用中引入了量子点则不同，可以作到“海量”对“海量”。即可将欲研究的各种蛋白质用一系列不同大小、不同材料、光谱特性各自不同的量子点或量子点微粒标记，更重要的是可以用同一波长的光激发，从而可以同时检测所有标记的蛋白质与芯片上的蛋白质之间的相互作用。与现有的方法相比,效率要大大提高。如前所说，人们可制备“海量”的量子点或量子点微粒，可标记“海量”的蛋白质,因此可量子点在生物芯片研究中同样可以大有作为。因此可以预言，量子点在蛋白质芯片上的应用可产生“双高通量”分析检测的结果，对基因组学和蛋白质组学的研究十分有用。同样的原理也可应用于药物筛选,达到双高通量药物筛选。

　　量子点应用于溶液矩阵(solution array)，即将不同的量子点或量子点微粒标记在每一种生物分子上，并置于溶液中,形成所谓溶液矩阵。生物分子在溶液状态下易于保持生物分子的正常三维构象，从而具有正常的生物功能,这是其优于平面芯片之处。

　　量子点与太阳能电池结合，由于量子点的巨电导，可变化之带隙，可变化之光谱吸收性等特性，使得量子点太阳能电池可大大提高光电转化率，与目前最流行的多晶硅太阳能电池相比，生产能耗可减少20%，光电效率可增加50%至1倍以上，并降低昂贵的材料费用。

　　而在半导体物理方面，正如前面已经提到的量子点中低的态密度和能级的尖锐化，导致了量子点结构对其中的载流子产生三维量子限制效应，从而使其电学性能和光学性能发生变化。这些性质使得半导体量子点在单电子器件、存贮器以及各种光电器件等方面具有极为广阔的应用前景。基于库仑阻塞效应和量子尺寸效应制成的半导体单电子器件具有小尺寸，低消耗的特点。

　　以量子点结构为有源区的量子点激光器理论上具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点。在实际制作的量子点激光器的阈值电流密度中，它己经远远低于传统激光器以及量子阱激光器。在温度稳定性方面, 将量子点置入GaAs/AlGaAs量子阱中，使量子点中载流子的逸出势垒高度增加，于是大大降低了载流子的逸出几率，减小了漏电流，使激光器的特征温度T0远远高于量子阱激光器的特征温度。理想的量子点激光相比量子阱激光器只有远高于阈值电流密度的情况下才能实现单模工作，量子点因只有单一电子能级和空穴能级，很容易实现单模工作。

　　量子点与LED技术结合，虽然目前的LED在白光效率上已经取得很大的成就,但是跟其他照明技术相比,纯暖白光LED的光输出仍然不理想。而量子点是晶体结构半导体,当受光子刺激的时候晶体发光,发光颜色由晶体尺寸决定，所以在可视光谱里面量子点可以产生任何颜色,运用量子点技术能够改善LED背光和常规照明应用的光质量。