【量子点的性质与应用概述2900字】

量子点的性质与应用概述1.1量子点概述当一种材料的尺寸缩减到纳米数量级时，材料本身就会表现出某些特殊的性能，这也就是我们常说的纳米材料。纳米材料的概念是在20世纪80年代由德国科学家Gleiter提出来的REF_Ref5316\w\h[6]。所谓的纳米材料通常是指三维空间中必须至少有其中一个维度的尺寸能够达1-100nm之间的材料。因而根据维度来对其进行划分，可以将其划分为零维，一维，二维，三维材料，如图1.1所示。三维材料就是我们一般说的体材料，而把体材料的其中一个维度的尺寸大小限制在1-100nm以内就可以直接得到二维纳米材料“量子阱”；若空间上同时有两个维度的材料尺寸被我们限制在1-100nm以内，那么这样的材料就是一维纳米材料“量子线”；而空间上三个维度都在1-100nm以内的纳米材料就是我们一般所谓的零维材料，其主要代表就是本文要介绍的“量子点”。量子点（quantumdots，QD）作为一种准零维的纳米材料，是由成千上万乃至上百万个原子构成的零维量子系统，是一种把导带电子、价带空穴以及激子在三个方向束缚起来的半导体纳米结构。这种结构要求其在空间三个维度的尺寸都受到严格的限制，必须满足小于100nm。在这种情况下，材料中电子的运动也由于这种小于波尔半径的尺寸而受到了限制，使其物理性能和光学特性发生改变REF_Ref5561\w\h[7]。图1.1不同维度的纳米材料的结构图和电子能态密度示意图REF_Ref5587\w\h[8]1.2量子点的性质与一般块状晶体材料所不同，量子点材料能通过控制它的合成工艺参数和条件如改变合成的化学条件，可改变量子点的尺寸，从而进一步使得量子点的能带结构发生间接改变。随着一种纳米材料在空间各个维度的尺寸不断减小且当每个维度尺寸都变得小于50nm，此时该纳米材料就会开始呈现出一系列的量子效应REF_Ref5587\w\h[8]，如量子尺寸效应、量子隧道效应、表面效应等等。首先是量子尺寸效应。当纳米材料尺度降到一定数值，一般是相当或小于体材料激子的玻尔半径时，载流子运动受到限制，就会出现电子能级由准连续变为分立、离散的能级以及能隙变宽的情况。正是基于量子尺寸效应，人们可以通过调节量子点的尺寸形状来改善其光电特性，从而更好地在微电子器件中应用。比较直观的体现是不同大小的量子点的发射波长不同，如图1.2所示，基于对量子点的尺寸进行调整，可以使得量子点从发射红光到发射紫光，这在显示领域有着广泛的应用前景，在之后的部分会详细说明。图1.2（a）量子限制效应（b）不同尺寸量子点发射不同波长的光REF_Ref8333\w\h[25]其次是小尺寸效应。它是指纳米材料的尺寸如果能够接近诸如光波波长、德布罗意波长或者超导体状态的相干长度等物理尺寸边界的极限或比它们自身要求更小时，晶体之间周期性的边界条件将逐渐被破坏，非晶态下的纳米材料在其表面层的原子密度也会随之减小，导致该类纳米材料的声、光、热、力、电等各种物理的化学的特性都将在这一过程中呈现出全新的尺寸效应。再接下来则是表面效应REF_Ref5587\w\h[8]。当一个物体的颗粒尺寸大于1μm时，便无需考虑表面效应，可忽略不计。而当颗粒尺寸小到0.1μm甚至接近于纳米量级时，随着尺寸的继续减小，其表面原子数目所占体积的比例就会逐渐地变大并占据主导地位，因而这时表面效应便无法被完全忽略。表面的原子由于周围相邻的原子较少，具有很多的悬空键，故本身化学属性和性质较为活泼，容易和其他原子结合。整体表现就是导致纳米材料的比表面积、表面能和表面结合能等一系列参数发生很大的变化。这样的情况就被我们称为表面效应。最后是宏观的量子隧道效应。这是一种基本的量子现象，指的是粒子在空间中能够横跨和穿越超过其本身能量的势垒，从一个量子阱进入另一个量子阱。从宏观角度，对空间量子隧道效应的分析研究在许多基础性的理论研究和实际运用之中也都具有着十分重要的应用意义。简单举个日常生活很常见的例子，比如磁带，磁盘这类物品进行大量资料数据贮存的时间被它限制在一个极限值。量子尺寸效应和隧道效应将会是未来微电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限所在REF_Ref5838\w\h[9]。基于自身较低的粒子状态密度和略微尖锐化的能级分布，量子点本身的结构性能会对其中的载流子在空间各个维度上都施加限制和约束，即三维的量子限制效应，从而使其电学结构性能和光学结构特征等多方面性质发生变化REF_Ref5900\w\h[10]。而其中的半导体量子点由于其独特的晶体结构和光学性能成为当今自然科学量子技术应用研究的热点。1.3量子点的应用（1）在太阳能电池中的应用量子点太阳能电池被称作第三代新型太阳能燃料电池，是目前世界上最尖端的前沿热点技术之一。它的主要优点之一就在于它能够大幅度增加太阳能电池的光电转换效率，这主要是通过以下两个效应来实现的：第一个效应是通过具有充足能量的单光子激发产生多激子；第二个效应是通过在带隙里形成中间带来产生电子空穴对，这就可以有多个带隙起作用REF_Ref5927\w\h[11]。除此之外，通过其它的效应，它还有助于减缓热电子-空穴对的冷却、提高载流子的俄歇复合过程和库仑耦合过程。且通过对于载流子进行三维限制和约束，使得载流子在跃迁过程中不必满足动量守恒这一定理，从而大大地提高了转换的效率。（2）在显示领域的应用量子点技术除了在能源领域发光发热之外还能够在显示领域发挥用途，例如LED显示。相比LCD和近年在手机屏幕行业蓬勃发展的OLED，运用量子点相关材料的高端显示技术被称作QLED，具有更好的发展前景。和LCD和OLED相比，QLED的色彩会更加精准和纯净，因为量子点可以通过连续调节量子点的尺寸来实现各个波长光的发射，这也就是说比起前两者，QLED可以很轻松地做到全色域覆盖。此外，QLED还有一个优势就是其屏幕尺寸可以做的很大很大，75寸以上的QLED已经很常见。但对OLED来说则做不到，因为尺寸的上升意味着成本的大大提高且良品率也无法得到保障。因此，未来在显示领域，采用量子点的QLED也许会取代OLED成为新一代的显示屏幕材料选择。（3）在光电探测器中的应用光电探测器的功用是把传统的光学信号变换成电学信号，相当于是一种能量信号的转换器，它最终输出的是电信号REF_Ref5972\w\h[12]。由多个光电器件联结成的系统不仅可以进行光电转换，还可以根据需求对电信号进行处理并进行储存和传递，方便对其进一步分析应用。比如军事国防中的导弹制导技术以及安防领域的红外监测技术等背后都离不开光电探测器件及其系统的支撑。根据对光响应波长区域的不同，我们可以将红外光电探测器分为近、中、远红外光电探测器三大类REF_Ref6109\w\h[13]。而利用胶体量子点制备的红外光电探测器具有以下几个优点：1）由于量子点的大小可以通过实验反应时间长短等条件来调节，量子点尺寸直接影响着吸收光谱的频率，由此可以制作出响应频谱范围宽的探测器。2）量子点属于准零维纳米颗粒，制备工艺的难度被大大降低。3）量子点处于激发态时，电子难以吸收声子返回基态，因此具有更强的抗干扰能力以及更长的寿命。4）量子点吸收峰非常广，因此减少了光学滤镜的运用，使得原始信号失真率更低。5）量子点可以通过调节吸收光谱，从而避免了非目标波长的光进入，可以更好的减少噪声。因此，量子点在光电探测领域的应用有比较明显的优势。（4）生物领域的应用量子点在生物上的应用最为广泛也最为成熟，例如在细胞成像方面，现代医学研究