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量子点

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胶体量子点用紫外光照射时， 由于量子限制，不同尺寸的量子点发出不同颜色的光。

量子点（QD）是几纳米大小的微小半导体粒子，具有与较大的发光二极管粒子不同的光学和电子特性。它是纳米技术的核心。 当量子点被紫外光照射时，一些电子接收到足够的能量就可以从原子中脱离出来。这种能力允许它们在纳米粒子周围移动，产生一个电导带，在这个电导带中，电子可以自由地穿过材料并导电。如右图所示，当这些电子回落到环绕原子的外轨道(价带)时，它们会发光。光的颜色取决于电导带和价带之间的能量差。

在材料科学的领域，纳米级半导体材料紧密地限制电子或电子空穴。量子点有时被称为人造原子，强调它们的奇异性，像自然存在的原子或分子一样具有束缚的、离散的电子状态。[1][2]

量子点的性质介于大块半导体和离散原子或分子之间。 它们的光电特性随着尺寸和形状的变化而变化。[3]  直径5–6纳米的较大的量子点会发出较长的波长，例如橙色或红色。较小的量子点(2–3 nm)发射较短的波长，如蓝色和绿色，具体的颜色和大小取决于QD的确切组成。[4]

由于它们高度可调的特性，量子点受到广泛关注。潜在的应用包括晶体管、太阳能电池、发光二极管、二极管激光器和二次谐波产生、量子计算和医学成像。[5] 它们的小尺寸允许量子点悬浮在溶液中，用于喷墨印刷和旋涂。 [6] 也可用于Langmuir-Blodgett薄膜。[7][8][9] 这些处理技术使得半导体制造的成本更低、耗时更少。

1 制作编辑

量子点发出从紫色到深红色的渐变光

有几种制备量子点的方法，主要是胶体法。

1.1 胶体合成

胶体半导体纳米晶体是由溶液合成的，非常类似于传统的化学过程。 主要的区别是产品既不会作为固体沉淀，也不会溶解。[10] 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。温度是决定纳米晶体生长最佳条件的关键因素。它必须足够高以允许在合成过程中原子的重排和退火，同时足够低以促进晶体生长。单体浓度是纳米晶体生长过程中必须严格控制的另一个关键因素。纳米晶体的生长过程可以发生在两种不同的状态下，“聚焦”和“散焦”。在高单体浓度下，临界尺寸(纳米晶体既不生长也不收缩的尺寸)相对较小，导致几乎所有粒子的生长。在这种情况下，较小的粒子比较大的粒子生长得更快(因为较大的晶体比较小的晶体需要更多的原子生长)，导致尺寸分布的“聚焦”产生几乎单分散的粒子。当单体浓度保持在平均纳米晶体尺寸总是略大于临界尺寸时，尺寸聚焦是最佳的。随着时间的推移，单体浓度降低，临界尺寸变得大于平均尺寸，从而形成分布“散焦”。

细胞上的硫化镉量子点

使用胶体法可以生产许多不同的半导体。典型的量子点由二元化合物组成，如硫化铅、硒化铅、硒化镉、硫化镉、碲化镉、砷化铟和磷化铟。也可以由三元化合物如硒化镉硫化物制成。这些量子点在量子点体积内可以包含少至100至100，000个原子，直径约为10至50个原子。这相当于大约2到10纳米，在直径为10nm的近300万个量子点可以首尾相接排列起来，长度大约是人类拇指的宽度。

理想的硫化铅（硒化物）胶体纳米粒子图像，被油酸，油胺和羟基配体完全钝化（尺寸≈5nm）

大批量量子点可以通过胶体合成来合成。由于这种可扩展性和台式条件的便利性，胶体合成方法具有商业应用前景。这是公认的是所有不同合成形式中毒性最小的。

1.2 等离子体合成

对于量子点的生产，尤其是共价键量子点的生产，等离子体合成已经发展成为最普遍的气态方法之一。[10][11][12] 例如，硅(硅)和锗(锗)量子点已经用非热等离子体合成。量子点的大小、形状、表面和组成成分都可以在非热等离子体中控制。[13][14] 对量子点来说似乎颇具挑战性的掺杂在等离子体合成也已实现。[15][16][17] 等离子体合成的量子点通常为粉末形式，可以对其进行表面改性。这可以导致量子点在两种有机溶剂[18] 或者水[19] (即胶体量子点)中具有极好的分散特性。

1.3 制造

  • 自组装量子点通常在5到50纳米大小之间 。由光刻构图的栅电极或通过蚀刻半导体异质结构中的二维电子气体定义的量子点可以具有20至100 nm之间的横向尺寸。
  • 一些量子点是一种材料埋在另一种材料中的小区域，具有较大的带隙。这些可以是所谓的核-壳结构，例如，在核中有硒化镉，在壳中有硫化锌，或者由称为有机改性硅酸盐的二氧化硅形成。亚单层壳也可以是钝化量子点的有效方法，例如用亚单层硫化镉壳钝化硫化铅核。[20]
  • 由于单层阱厚的波动，量子点有时会自发地出现在量子阱结构中。
  • 在分子束外延(MBE)和金属有机气相外延(金属有机化学气相沉积系统)期间，当材料生长在与其晶格不匹配的衬底上时，自组装量子点在特定条件下自发成核。所产生的应变在二维润湿层的顶部产生连贯的应变岛。这种增长模式被称为Stranski-Krastanov生长。这些岛随后可以被掩埋以形成量子点。这种制造方法在量子密码术(即单光子源)和量子计算中具有应用潜力。这种方法的主要局限性是制造成本较高和对单个点的定位控制不够精确。
  • 单个量子点可以由存在于远程掺杂量子阱或半导体异质结构(称为横向量子点)中的二维电子或空穴气体产生。样品表面涂有一薄层抗蚀剂。然后通过电子束光刻在抗蚀剂中定义横向图案。然后，可以通过蚀刻或沉积金属电极(剥离工艺)将该图案转移到电子或空穴气体中，从而允许在电子气体和电极之间施加外部电压。这种量子点主要对涉及电子或空穴传输(即电流)的实验和应用有益处。
  • 量子点的能谱可以通过控制几何尺寸、形状和限制电势的强度来设计。此外，与原子相比，通过隧道势垒将量子点连接到导电引线相对容易，这允许将隧道光谱学技术应用于量子点的研究。

量子点吸收特征对应于盒态中的电子和空穴的离散三维粒子之间的跃迁，两者都被限制在相同的纳米尺寸的盒内。这些离散的跃迁让人想起原子光谱，从而有人将量子点也称为人造原子。[21]

  • 量子点中的限制也可能来自静电势(由外部电极、掺杂、应变或杂质产生)。
  • 可以使用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术来制造硅量子点。超小(L=20 nm，W=20nm) CMOS晶体管在低温-269℃(4 k)至约258℃(15 k)工作时表现为单电子量子点 。由于电子一个接一个地渐进充电，晶体管显示出库仑阻塞。限制在沟道中的电子数量由栅极电压驱动，从占用零电子开始，可以设置为一个或多个。[22]

1.4 病毒装配

基因工程M13噬菌体病毒可以制备量子点生物的复合结构。[23] 先前已经表明，基因工程病毒可以通过组合噬菌体展示的选择方法识别特定的半导体表面。[24] 另外，已知野生型病毒(Fd、M13和TMV)的液晶结构可以通过控制溶液浓度、溶液离子强度和施加到溶液上的外部磁场来调节。因此，病毒的特定识别特性可用于组织无机纳米晶体，在液晶形成定义的长度范围内形成有序阵列。利用这些信息，Lee等人(2000年)从噬菌体和硫化锌前体溶液中制备自组装、高度定向、自支撑的薄膜。这个系统允许他们通过遗传修饰和选择性来改变噬菌体的长度和无机材料的类型。

1.5 电化学制备

高度有序的量子点阵列也可以通过电化学技术自组装。通过在电解质-金属界面上引起离子反应来创建模板，这导致纳米结构(包括量子点)自发组装到金属上，然后金属被用作掩模，用于在选定的衬底台面上蚀刻这些纳米结构。

1.6 批量生产

量子点制造依赖于一种被称为“高温双注入”的工艺，这种工艺已经被多家公司推广到需要大量(数百千克至吨)量子点的商业应用中。 这种可再现的生产方法可应用于各种尺寸和组成的量子点。

某些无镉量子点(如ⅲ-ⅴ族量子点)中的化学键比ⅱ-ⅵ族材料中的化学键更共价，因此通过高温双注入合成分离纳米粒子成核和生长更困难。量子点合成的另一种方法，即“分子播种”过程，为大量生产高质量量子点提供了一条可重复的途径。该方法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，从而避免了高温注射步骤。通过在中等温度下定期添加前体来保持粒子生长，直到达到所需的粒子尺寸。[25] 分子接种过程不限于无镉量子点的生产；例如，这个过程可以在几个小时内合成千克级的II-VI量子点。

另一种大规模生产胶体量子点的方法，可以从将众所周知的用于合成的热注射方法转移到技术连续流动系统中看出。通过利用混合和生长以及运输和温度调节的技术成分，可以克服在上述方法中因需要而产生的批次间差异。对于基于硒化镉的半导体纳米粒子的生产，这种方法已经被研究并调整到每月可以生产数千克。由于技术部件的使用允许在最大吞吐量和尺寸方面容易地改变，它可以进一步提高到几十甚至几百千克。[26]

2011年，一个由美国和荷兰公司组成的联盟报告称，通过将传统的高温双注入方法应用于流动系统，实现了大批量量子点制造的“里程碑”。[27]

2013年1月23日，Dutch 化学与总部位于英国的纳米科公司签订了一项独家许可协议，使用其低温分子播种方法批量生产电子显示器用的无镉量子点，2014年9月24日，Dutch化学设施开始在韩国生产，该设施能够为“数百万台无镉电视和其他设备，如平板电脑”生产足够的量子点。大规模生产将于2015年年中开始。[28] 2015年3月24日，Dutch化学与LG电子公司合作发展无镉量子点在显示器中的应用。[29]

1.7 无重金属量子点

世界上许多地区现在都限制或禁止在许多家庭用品中使用重金属，这意味着大多数镉基量子点不能用于消费品应用。

为了商业可行性，已经开发了一系列受限的、不含重金属的量子点，它们在光谱的可见光和近红外区域显示出明亮的发射，并且具有与硒化镉量子点相似的光学特性。例如，这些系统包括磷化铟/硫化锌和氯化铟/硫化锌。

肽作为潜在的量子点材料正在被研究。[30] 由于肽天然存在于所有生物体中，因此这种量子点可能无毒且易于生物降解。

2 健康和安全编辑

某些量子点在某些条件下对人类健康和环境构成风险。[31][32][33] 值得注意的是，量子点毒性的研究集中在含镉粒子上，并且在生理相关剂量后尚未在动物模型中得到证实。[33] 基于细胞培养的量子点(QD)毒性体外研究表明，它们的毒性可能来自多种因素，包括其物理化学特征(大小、形状、组成、表面官能团和表面电荷)和环境。评估它们的潜在毒性很复杂，因为这些因素包括诸如QD大小、电荷、浓度、化学组成、封端配体等性质，以及它们的氧化、机械和光解稳定性。[31]

许多研究集中在使用模型细胞培养物的QD细胞毒性机制。已经证明，在暴露于紫外线辐射或空气氧化后，硒化镉量子点释放游离镉离子，导致细胞死亡。[34] 据报道，第二至第六类量子点在暴露于光线后会诱导活性氧化物的形成，这反过来又会损害细胞成分，如蛋白质、脂质和DNA。[35] 一些研究还表明，硫化锌壳的添加抑制了活性氧在硒化镉量子点中的作用过程。QD毒性的另一个方面是它们的毒性大小依赖细胞内的作用途径，这些途径将这些粒子集中在金属离子无法到达的细胞器中，这可能导致与其组成金属离子相比更独特的细胞毒性模式。[36] 细胞核中QD定位的报道提出了额外的毒性模式，[37] 因为它们可以诱导DNA突变，而DNA突变又会通过引起疾病传播给下一代。

虽然在使用动物模型的体内研究中已经报道了某些细胞器中量子点的浓度，但是通过组织学或生物化学分析，没有发现动物行为、体重、血液学标记或器官损伤的改变。[38] 这些发现使科学家相信细胞内剂量是抑制QD毒性的最重要因素。因此，决定细胞QD内吞作用的因素是有效细胞浓度，如QD大小、形状和表面化学，决定了它们的毒性。动物模型中量子点通过尿液的排泄也已经通过注射放射性标记的ZnS封端的配体壳的CdSe量子点得到证实，其中配体壳用 99mTc标记。[39] 尽管其他多项研究已经得出了量子点在细胞水平上保留的结论，[33][40] 但是对量子点的胞吐作用研究仍然很少。

虽然大量的研究工作扩大了对量子点毒性的理解，但文献中仍有很大的差异，问题仍有待解决。与普通化学物质相比，这类物质的多样性使得对其毒性的评估非常具有挑战性。由于它们的毒性取决于环境因素，如酸碱度、光照和细胞类型，因此其毒性也可能是动态的，传统的评估化学品毒性的方法如LD50 不适用于量子点。因此，研究人员正致力于引入新的方法，并调整现有的方法，以纳入这一独特的材料类别。[33] 此外，科学界仍在探索设计更安全的量子点的新策略。该领域最近的新发现是碳量子点，这是新一代光学活性纳米粒子，有可能取代半导体量子点，并具有毒性低的优点。

3 光学特性编辑

不同尺寸锑化镉量子点的荧光光谱。 由于量子限制，不同尺寸的量子点发出不同颜色的光。

在半导体中，光吸收通常导致电子从价带被激发到导带，留下一个空穴。电子和空穴可以相互结合形成激子。当激子重新组合时(即电子恢复基态)，激子的能量可以作为光发射。这叫做荧光。在一个简化的模型中，发射光子的能量可以理解为最高占据能级和最低未占据能级之间的带隙能量、空穴和受激电子的约束能量以及激子(电子-空穴对)的束缚能量之和:

由于限制能量取决于量子点的大小，吸收开始和荧光发射都可以通过在其合成过程中改变量子点的大小来调节。量子点越大，它的吸收开始和荧光光谱就越红(能量越低)。相反，较小的量子点吸收并发射更蓝(更高能量)的光。最近的文章 “纳米技术 ”在其他期刊上已经开始提出量子点的形状也可能是颜色的一个因素，但是还没有足够的信息可用。此外，还显示了 [41] 荧光的寿命取决于量子点的大小。更大的量子点具有更紧密间隔的能级，可以对电子-空穴对进行捕获。因此，较大量子点中的电子空穴对寿命更长，从而使其寿命更长。

为了改善荧光量子产率，量子点可以用带隙更大的半导体材料制成。这种改善被认为是由于在某些情况下电子和空穴进入无辐射表面复合路径的途径减少，也由于某些情况下俄歇复合的减少。

4 潜在应用编辑

量子点由于其高消光系数而特别有适用于光学应用。[42] 它们像单电子晶体管一样运作，显示出库仑阻塞效应。量子点也被建议作为量子信息处理领域中量子比特的实现 [43]。

对许多潜在的应用来说，调整量子点的尺寸是有吸引力的。例如，与较小的量子点相比，较大的量子点具有更强的向红色光谱偏移特性，并且显示出不太明显的量子特性。相反，较小的粒子可以利用更微妙的量子效应。

通过从量子阱的薄层到层上方晶体的能量转移产生可见光的装置。[3]

由于是零维的，量子点的状态密度比高维结构更高。因此，它们具有更优异的传输和光学性能。它们在二极管激光器、放大器和生物传感器中有潜在的用途。量子点可以在金纳米粒子产生的局部增强电磁场中被激发，然后可以通过表面等离子体共振中在(CdSe)ZnS纳米晶体的荧光激发光谱中观察到。高质量量子点由于其宽的激发轮廓和窄的/对称的发射光谱，非常适合光学编码和多路复用。新一代量子点在单分子水平研究细胞内过程、高分辨率细胞成像、细胞运输的长期体内观察、肿瘤靶向和诊断方面具有深远的潜力。

CdSe纳米晶体是有效的三重态光敏剂。[44] 小CdSe纳米粒子的能够将激发态能量从量子点中提到本体溶液中，从而打开了光动力疗法、光伏器件、分子电子和催化等广泛潜在应用的大门。

4.1 生物

在现代生物分析中，使用各种有机染料。然而，随着技术的进步，人们寻求更大灵活性的染料。[45] 为此，量子点很快就发挥了作用，在几个方面被发现优于传统的有机染料，其中最直接明显的是亮度(由于高消光系数加上与荧光染料相当的量子产率[46])以及它们的稳定性(更少的光漂白)。[47] 据估计，量子点比传统荧光报告器亮20倍，稳定100倍。[45] 对于单粒子跟踪，量子点的不规则闪烁是一个小缺点。然而，已经有一些团体开发了本质上不连接的量子点，并在单分子跟踪实验中证明了它们的效用。[48][49]

量子点在高灵敏度细胞成像中已经取得了重大进展。[50] 例如，量子点光稳定性的提高允许采集许多连续的焦平面图像，这些图像可以重建成高分辨率的三维图像。[51] 利用量子点探针非凡的光稳定性的另一个应用是长时间实时跟踪分子和细胞。[52] 抗体，链霉亲和素，[53] 肽，[54] 脱氧核糖核酸，[55] 核酸适体，[56] 或者小分子配体 [57] 可将量子点用于靶向细胞上的特定蛋白质。研究人员能够观察小鼠淋巴结中的量子点长达4个多月。[58]

量子点可以具有与纳米粒子类似的抗菌特性，并且可以以剂量依赖的方式杀死细菌。[59] 量子点杀死细菌的一种机制是通过损害细胞中抗氧化系统的功能并下调抗氧化基因。此外，量子点会直接损坏细胞壁。量子点已被证明对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都有效。[60]

半导体量子点也被用于预标记细胞的体外成像。对单细胞迁移进行实时成像的能力对于胚胎发生、癌症转移、干细胞治疗和淋巴细胞免疫学等几个研究领域都具有很重要的意义。

量子点在生物学中的一个应用是在Förster共振能量转移中作为供体荧光团，这些荧光团的大消光系数和光谱纯度使它们优于分子荧光团。[61] 值得注意的是，量子点的宽吸收度允许选择性激发基于FRET的研究中的QD供体和染料受体的最小激发。[62] 最近已经证明了FRET模型的适用性，该模型假设量子点可以近似为点偶极子。[63]

量子点在体内肿瘤靶向中的应用采用了两种靶向方案:主动靶向和被动靶向。在主动靶向的情况下，量子点被肿瘤特异性结合而功能化，以选择性地结合到肿瘤细胞。被动靶向使用增强的肿瘤细胞渗透和滞留来递送量子点探针。快速生长的肿瘤细胞通常比健康细胞有更多的渗透膜，允许小的纳米粒子渗漏到细胞体内。此外，肿瘤细胞缺乏有效的淋巴引流系统，这导致随后的纳米粒子急速积聚。

量子点探针可以显示体内毒性。例如，在紫外线照射下，CdSe纳米晶体对培养的细胞有很高的毒性，因为这些粒子在一个被称为光解的过程中溶解，释放有毒的镉离子到培养基中。然而，在没有紫外线照射的情况下，已经发现具有稳定聚合物涂层的量子点基本上是无毒的。[58][64] 量子点的水凝胶封装允许量子点被引入到稳定的水溶液中，从而降低镉泄漏的可能性。需要注意的是，关于量子点从生物体内的排泄过程，人们知之甚少。[65]

在另一个潜在的应用中，量子点被研究为无机荧光团，用于使用荧光光谱进行肿瘤的术中检测。

用现有技术将未受损的量子点输送到细胞质是一个挑战。基于载体的方法已经导致量子点的聚集和内体隔离，而电穿孔可以损伤半导电粒子和聚集胞液中的递送点。通过细胞挤压，量子点可以被有效地递送，而不会诱导聚集、将材料捕获在内体中或显著丧失细胞活力。此外，已经表明，通过这种方法传递的单个量子点在细胞质溶胶中是可检测的，因此说明了这种技术在单分子跟踪研究领域的潜力。[66]

4.2 光伏器件

量子点的可调吸收光谱和高消光系数使其对光伏等光收集技术具有吸引力。量子点可以提高效率并降低当今典型硅光电池的成本。根据2004年的实验证明，[67] 通过载流子倍增或多激子产生过程，硒化铅量子点可以从一个高能光子中产生多个激子。相比之下，今天的光伏电池每一个高能光子只能管理一个激子，而高动能载流子以热量的形式损失能量。量子点光伏理论上制造起来会更便宜，因为它们可以“用简单的化学反应”制造。

仅有量子点的太阳能电池

芳香族自组装单层（SAM）(如4-硝基苯甲酸)可用于改善电极处的能带排列，以获得更高的效率。这项技术提供了创纪录的10.7%的能量转换效率(PCE)。[68] SAM位于ZnO-PbS胶体量子点(CQD)膜结之间，通过组成SAM分子的偶极矩来修改能带对准，并且能带调谐可以通过SAM分子的密度、偶极和取向来修改。[68]

混合太阳能电池中的量子点

胶体量子点也用于无机/有机混合太阳能电池。这些太阳能电池具有低制造成本和相对较高效率的潜力，因此很有吸引力。[69] 将金属氧化物(如氧化锌、二氧化钛和Nb2O5纳米材料)掺入有机光伏电池已经采用完整的精密卷绕对位处理工艺进行商业化。[69] 硅纳米线/PEDOT:PSS混合太阳能电池的转换效率为13.2%。[70]

太阳能电池中的纳米线量子点

另一个潜在用途包括用CdSe量子点覆盖单晶氧化锌纳米线，浸入巯基丙酸作为空穴传输介质以获得QD敏化太阳能电池。纳米线的形态允许电子直接到达光阳极。这种太阳能电池表现出50-60%的内部量子效率。[71]

硅纳米线(SiNW)和碳量子点上使用量子点涂层的纳米线。使用氮化硅代替平面硅增强了硅的抗反射性能。[72] 由于在SiNW的光捕获，从而表现出光陷效应。SiNW和碳量子点的结合使用导致了太阳能电池的PEC达到9.10% 。[72]

与石墨烯片相比，石墨烯量子点还与有机电子材料混合，以提高光伏器件和有机发光二极管的效率并降低成本。这些石墨烯量子点被有机配体官能化，经历了紫外-可见吸收光的发光效应。[73]

4.3 发光二极管

提出了几种使用量子点改进现有发光二极管的设计方法，包括“量子点发光二极管”(QD-LED或量子点发光二极管)显示器和“量子点白光发光二极管”(QD-WLED)显示器。因为量子点自然产生单色光，所以它们比需要进行滤色的光源更有效。QD发光二极管可以在硅衬底上制造，这允许它们集成到标准硅基集成电路或微机电系统上。[74]

4.4 量子点显示器

量子点对显示器很有价值，因为它们以非常特定的高斯分布发光。这可以使显示器具有更精确的颜色。

传统的彩色液晶显示器通常由荧光灯或传统的白色发光二极管背光照明，通过滤色产生红色、绿色和蓝色像素。量子点显示器使用蓝色发光二极管而不是白色发光二极管作为光源。发射光的转换部分通过放置在蓝色发光二极管前面的相应颜色的量子点上或者使用背光光学堆叠中的量子点注入漫射片中，从而转换成纯绿色和红色光。空白像素也可以令蓝色发光二极管仍然产生蓝色色调。这种白光作为液晶面板的背光源，与使用三个发光二极管的三基色发光二极管组合相比，可以以更低的成本获得最佳色域。[75]

可以实现量子点显示的另一种方法是电致发光或电发射方法。这包括在每个单独的像素中嵌入量子点。然后通过电流应用来激活和控制它们。[76] 因为这通常是发光本身，所以在这种方法中可实现的颜色可能是有限的。[77] 目前电发射QD-LED电视机只存在于实验室。

量子点精确转换和调谐光谱的能力使其对液晶显示器具有一定的作用。以前的液晶显示器会浪费能量，将红-绿色差、蓝-黄丰富的白光转换成更平衡的照明。通过使用量子点，屏幕中只包含理想图像所需的颜色。结果是屏幕变得更亮、更清晰、更节能。量子点的第一个商业应用是2013年发布的索尼XBR X900A系列平板电视。[78]

2006年6月， QD Vision宣布在制作概念验证量子点显示器方面取得了技术上的成功，并在可见和近红外光谱区域显示出明亮的发射光。集成在扫描显微镜尖端的QD-发光二极管用于演示荧光近场扫描光学显微镜(NSOM)成像。[79]

4.5 光电探测器设备

量子点光电探测器可以通过溶液处理，[80] 或者由传统的单晶半导体制成。[81] 传统的单晶半导体量子点不能与柔性有机电子器件集成，因为它们的生长条件与有机半导体所需的工艺窗不兼容。另一方面，溶液处理的量子点可以容易地与几乎无限多种衬底集成，也可以在其他集成电路上进行后处理。这种胶体量子点在监控、机器视觉、工业检测、光谱学和荧光生物医学成像中具有潜在的应用。

4.6 光催化剂

量子点还可以作为光催化剂，将水在光驱动化学反应中转化为氢，作为太阳能燃料的途径。在光催化中，在带隙激发下量子点中形成的电洞可以驱动周围液体中的氧化还原反应。通常，量子点的光催化活性与粒子大小及其量子限制程度有关。[82] 这是因为带隙决定了激发态下储存在量子点中的化学能。在光催化中使用量子点的一个障碍是在量子点表面存在的表面活性剂。这些表面活性剂(或配体)通过减缓物质和电子传递过程来干扰量子点的化学反应特性。此外，由金属硫属化物制成的量子点在氧化条件下化学性不稳定，并经历光腐蚀反应。

5 理论编辑

量子点在理论上被描述为点状或零维(0D)实体。它们的大部分性质取决于量子点的尺寸、形状和材料。一般来说，量子点与它们所用的大块原始材料表现出不同的热力学性质。影响之一是熔点降低。球面金属量子点的光学性质可以由米氏散射理论很好地描述。

6 半导体中的量子限制编辑

量子点中的三维受限电子波函数。 描述了矩形和三角形量子点。 矩形点中的能量状态更多是s型和p型。 然而，在三角形点中，由于约束对称性，波函数被混合。 （点击播放动画）

在尺寸小于激子玻尔半径尺寸两倍的半导体微晶中，激子被压缩，导致量子限制。然后可以使用盒子模型中的粒子来预测能级，其状态的能量取决于盒子的长度。将量子点的尺寸与电子和空穴波函数的玻尔半径值进行比较，可以定义三种形式。量子点的半径小于电子和空穴玻尔半径的称为“强限制区”，当量子点大于两者时称为“弱限制区”。对于电子和空穴半径明显不同的半导体，称为“中间限制区”，其中量子点的半径大于的是同一个电荷载体(通常是空穴)的玻尔半径，而不是其他电荷载体的半径。[83]

由于量子限制效应，小量子点的能级分裂。 水平轴是量子点的半径或大小，ab *是激子的波尔半径。

带隙能量
当能级分裂时，在强约束条件下，带隙可以变小。激子玻尔半径可以表示为:

     

其中，a b是玻尔半径=0.053nm，m是质量，μ是约化质量，ε r 是尺寸相关的介电常数(相对电容率)。从而导致总发射能量的增加(强限制区中较小带隙中的能量水平总和大于弱限制区中原始水平的带隙中的能量水平)和不同波长的发射。如果量子点的尺寸分布没有达到足够的峰值，多个发射波长的卷积呈现为连续光谱。
限制能量
激子实体可以用盒子里的粒子来模拟。电子和空穴在玻尔模型可以被视为氢，氢核被正电荷和负电荷的空穴所取代。激子的能级可以用基态(n=1)粒子的约化质量进行计算。因此，通过改变量子点的尺寸，可以控制激子的限制能量。
束缚激子能量
带负电的电子和带正电的空穴之间有库仑引力。吸引力中的负能量与里德伯能量成正比，与半导体尺寸相关的介电常数的平方成反比  [84] 。当半导体晶体的尺寸小于激子玻尔半径时，必须修改库仑相互作用以适应这种情况。

因此，这些能量的总和可以表示为:

  

其中， μ 是约化质量， a 是量子点的半径， me 是自由电子质量， mh 是空穴质量，并且 εr 是尺寸相关的介电常数。

尽管上述方程是使用简化的假设推导出来的，但它们暗示量子点的电子跃迁取决于它们的尺寸大小。 这些量子限制效应只有在临界尺寸以下才是明显的。较大的粒子不会表现出这种效果。量子限制对量子点的这种影响已经通过实验反复验证[85] 并且是许多新兴电子结构的关键特征。[86]

当追求不受渐近近似约束的结果时，约束载流子之间的库仑相互作用也可以用数值方法研究。[87]

除了在所有三维空间(即量子点)中的限制，其他量子限制半导体包括:

  • 量子线，在两个空间维度上限制电子或空穴，并允许在第三个空间维度上自由传播。
  • 量子阱，将电子或空穴限制在一维，并允许在二维自由传播。

6.1 模型

存在各种理论框架来模拟量子点的光学、电子和结构性质。大致分为量子力学、半经典和经典。

6.2 量子力学

量子点的量子力学模型和模拟通常涉及电子与赝势或随机矩阵之间的相互作用。[88]

半经典的

量子点的半经典模型经常包含化学势。例如，N-粒子系统的热力学化学势由下式给出：

  

其能量项可以作为薛定谔方程的解。电容的定义：

  ,

电位差：

  

可以通过添加或移除单个电子应用于量子点：

   和   。

然后，

  

上式是量子点的“量子电容”,我们用 I(N)和 A(N) 电离能表示 N 粒子系统的电子亲和性。[89]

经典

量子点中电子的静电特性的经典模型本质上类似于单位球上电子最佳分布的汤姆逊问题。

对局限于球形量子点的电子的经典静电处理类似于它们在汤姆迅中的处理，[90] 或原子的梅子布丁模型。[91]

二维和三维量子点的经典处理都表现出电子亚层的填充行为。已经为二维量子点描述了“经典人工原子周期表”。[92] 此外，三维汤姆逊问题和在周期表中的自然原子中发现的电子亚层填充模式之间也有一些联系。[93] 后一项工作起源于对由理想介电球体表示的球形量子点中电子的经典静电模型的建模。[94]

7 历史编辑

“量子点”这个术语是在1986年创造的。[95] 它们首先在玻璃基质和胶体溶液中[96]被Alexey Ekimov [97][98][99] 和Louis Brus发现。[100][101]

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