量子点和纳米晶体

量子点是半导体纳米晶体，其尺寸足够小，电子的限制使其光学和电子特性取决于尺寸，因此可以通过控制晶体的生长方式来调节吸收和发射颜色。

Definition

量子点是一种半导体纳米晶体，通常直径为几纳米，其中电荷载流子在所有三个维度上都受到限制，因此其电子能级是离散且依赖于尺寸的，从而产生介于分子和块状固体之间的光学特性。

Scope

本主题涵盖零维半导体纳米晶体：随着尺寸缩小而拓宽有效带隙的量子限制物理学；产生尺寸和形状受控的近单分散晶体的胶体热注射合成及相关方法；改善发射的核壳结构；表面配体化学；以及使其有用的光学特性——尺寸可调谐的光致发光和尖锐的激子吸收。

Core questions

• 量子限制如何使纳米晶体的性质依赖于尺寸？
• 如何在溶液中合成单分散纳米晶体？
• 为什么核壳结构能改善量子点发射？
• 表面配体化学如何影响纳米晶体的稳定性和功能？

Key concepts

• 量子限制
• 激子玻尔半径
• 热注射合成
• 核壳纳米晶体
• 表面配体
• 尺寸可调谐光致发光

Key theories

量子限制和尺寸可调谐带隙

当半导体晶体小于自然激子尺寸时，载流子受到限制，允许的能量变得离散；有效带隙随晶体缩小而增大，因此发射和吸收随颗粒尺寸连续变化。

胶体合成和形状控制

在热配位溶剂中快速成核和随后的受控生长产生近单分散的纳米晶体；改变表面活性剂和条件可控制形状和暴露晶面，从而调节光学和表面性质。

Mechanisms

光激发产生受限的电子-空穴对（激子），其复合以由受限带隙设定的能量发射光子；表面陷阱和悬空键打开非辐射途径，而更宽带隙的壳层钝化这些途径以提高发射效率。

Clinical relevance

尺寸可调、明亮、光稳定的发射使量子点在显示器背光和电致发光屏幕、荧光标记和生物成像以及光伏和发光器件中的光吸收器和发射器方面具有重要价值。

History

20世纪80年代初，布鲁斯（Brus）通过量子限制解释了纳米晶体光学光谱的尺寸依赖性。20世纪90年代，巴文迪（Bawendi）等人开发的热注射胶体合成法获得了近单分散、高质量的纳米晶体，而阿利维萨托斯（Alivisatos）1996年的综述巩固了该领域，从而催生了商用量子点显示器和生物成像探针。

Key figures

• A. Paul Alivisatos
• Louis Brus
• Moungi Bawendi

Seminal works

• alivisatos1996
• elsayed2005

Frequently asked questions

量子点中的“量子”指的是什么？

它指的是量子限制：点足够小，以至于波状电子和空穴被挤压到与其自然尺寸相当的空间中，这使得它们的能量被量子化为离散的、依赖于尺寸的能级，而不是块状晶体的连续能带。

为什么核壳量子点比裸核更亮？

裸纳米晶体的表面原子具有未饱和键，会捕获载流子并猝灭发射。生长一层更宽带隙半导体的薄壳可以将载流子限制在核内并钝化表面，从而显著增加发射光的激发比例。