纳米科学中的量子点研究进展

河北科技师范学院学报第２８卷第４期，２０１４年１２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｂｅｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２０１４　

ＤＯＩ：１０．３９６９／Ｊ．ＩＳＳＮ．１６７２—７９８３．２０１４．０４．００３　

量子点中双极化子和磁双极化子的研究进展　

额尔敦朝鲁，董伟伟，张　聪　

（河北科技师范学院物理系，河北秦皇岛，０６６００４）　

摘要：综述了近年来对抛物线性限制势量子点中强耦合双极化子和磁双极化子的部分研究工作。从抛物量　子点中２个电子一声子体系的哈密顿量出发，采用Ｌｅｅ—Ｌｏｗ—Ｐｉｎｅｓ—Ｈｕｙｂｒｅｃｈｔｓ变分方法，研究了量子点中强耦合　双极化子的振动频率、诱生势和有效势随电子一声子耦合强度、两电子相对距离和量子点半径的变化规律；采　用Ｔｏｋｕｄａ改进的线性组合算符法研究了温度和Ｌ０声子效应对强耦合双极化子的有效质量和平均声子数的　

影响。基于Ｌｅｅ．ＬＯｗ．Ｐｉｎｅｓ幺正变换，采用Ｐｅｋａｒ类型变分法研究了抛物量子点中强耦合磁双极化子的内部激　发态性质，当考虑自旋和外磁场影响时，研究了二维量子点中强耦合磁双极化子基态的能量、声子平均数以及　第一激发态的能量、声子平均数随量子点受限强度、介电常数比、电子一声子耦合强度和磁场的回旋共振频率　

的变化规律。　关键词：量子点；双极化子；磁双极化子；线性组合算符；ＬＬＰ幺正变换；Ｐｅｋａｒ类型变分法　

中图分类号：０４７１．３；０４７２．３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２－７９８３（２０１４）０４－００１２－０７　

随着分子束外延、金属有机化合物气相沉积等技术的发展，人们已能制造出准零维纳米结构的量子　

点。在这样的纳米结构中，由于量子点限定势的存在限制了电子的运动，不仅呈现具有分立能级的量予　

态，而且电子与晶格间相互作用对电子的能级结构产生影响，研究这一影响所产生的效应，即极化子效　

项目与课曩　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｉｓｉｏｎ　科技视界　科技・探索・争鸣　量子点的制备及应用进展　于潇２张雪萍２王才富２倪柳松２何磊２张晨２孙孟娜２　许世超１Ｉ２魏俊富１．２王兵’，２张纪梅’・２王海涛１．２　（１．天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程国家重点实验室培育基地，中国天津３００３８７；　２．天津工业大学环境与化学工程学院，中国天津３００３８７）　【摘要】本文分别从量子点的概念、特性、制备方法、表面修饰等方面对量子点进行了描述及讨论，在此基础上，对量子点在生物传感器方　面的应用进行了，最后分析了量子点生物传感器的存在的问题，对其未来　撮趋势进行了展望。　【关键词】量子点；光学；生物传感器　量子点主要是由Ⅱ一Ⅵ族和Ⅲ一Ｖ族元素组成的均一或核壳结构　纳米颗粒．又称半导体纳米晶体。由于发生结构和性质发生宏观到微　观的转变，其拥有独特的光、电、声、磁、催化效应，因此成为一类比较　特殊的纳米材料　国内外关于量子点传感器的研究非常广泛，例如在　生命科学领域．可以用于基于荧光共振能量转移原理的荧光探针检　测．可以用于荧光成像，生物芯片等；在半导体器件领域，量子点可以　用于激光器．发光二极管、ＬＥＤ等。本文对量子点的制备方法和应用领　域及前景进行了初步讨论　１　量子点的基本特性及其制备方法　１．１量子点的特性及优势　量子点的基本特性有：量子尺寸效应、表面效应、量子限域效应、　宏观量子隧道效应．除此之外，量子点具有一些独特的光学效应，这使　得量子点较传统的荧光染料用来标记生物探针具有以下优势：　（１）量子点具有宽的激发光谱范围，可以用波长短于发射光的光　激发．产生窄而对称的发射光谱，避免了相邻探测通道之间的干扰。　（２）量子点可以“调色”，即通过调节同一组分粒径的大小或改变　量子点的组成．使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。尺寸越小，发射　光的波长越小。　（３）量子点的稳定性好，抗漂白能力强，荧光强度强，具有较高的　发光效率。半导体量子点的表面上包覆一层其他的无机材料，可以对　核心进行保护和提高发光效率，从而进一步提高光稳定性。正是由于　量子点具有以上特性使其在生物识别及检测中具有潜在的应用前景，　有望成为一类新型的生化探针和传感器的能量供体，因此备受关注。　１．２量子点的制备方法　根据原料的不同分为无机合成路线和金属一有机物合成路线，两　种合成方法各有利弊　（１）金属一有机相合成：主要采用有机金属法，在高沸点的有机溶　剂中利用前驱体热解制备量子点，前驱体在高温环境下迅速热解并结　成核晶体缓慢成长为纳米晶粒。通过配体的吸附作用阻碍晶核成长，　并稳定存在于溶剂中　该方法制备的量子点具有尺度范围分布窄，荧　光量子产率高等优点。但其成本较高且生物相溶性差，量子产率降低，　甚至发生完全荧光淬灭现象。　（２）无机合成路线：目前常用水溶性硫基化合物，柠檬酸等做为保　护剂在水相中制备量子点。硫基化合物，柠檬酸等与量子点的稳定性、　功能化有关．因此选择带有适当官能团的保护剂对于控制量子点的表　面电荷及其他表面特征极为重要。水相合成量子点操作简便，重复性　高．成本低，表面电荷和表面性质可控，很容易引入官能团分子。量子　点质量的好坏直接关系到其应用研究的开展和研究成果的优劣。　１．３量子点的表面修饰方法　通常制备的量子点水溶性较差．不能直接与生物物质相互相互作　用　因此．在进行水相应用前需要对量子点进行适当的表面修饰。通过　特定的表面修饰和表面处理以获得对某个样品的识别功能。常用的量　子点表面修饰技术可归纳为表面无机修饰和表面有机修饰两大类。　（１）量子点表面无机修饰：单独的量子点颗粒容易受到杂质和晶　格缺陷的影响．荧光量子产率低。当以其为核心，用另一种半导体材料　包覆．形成核壳结构。可以将量子产率提高，并在消光系数上有很强的　增加．因而有很强的荧光发射　（２）量子点表面的有机修饰：量子点表面配位不足容易产生带隙　表面态．通过加入有机表面活性等有机配位体与量子点表面离子键　合．可以提高表面原子配位的饱和程度。有机配位体不能同时将表面　阴阳粒子完全钝化，表面依然残留有较多的悬键，钝化效果不理想，量　子产率同样不能大幅度提高　ｔ　２量子点的光学应用　半导体量子点作为新型荧光标记物用于生物医学领域的研究始　于２Ｏ世纪７Ｏ年代末．由于量子点具有激发光谱宽而连续、发射光谱　窄而对称、发光效率高、光化学性能稳定性好、不易发生光漂白、发射　光颜色与粒径大小关联等优点被广泛应用于生物化学、分子生物学、　细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子检测，材料　医学等领域。　２．１半导体量子点在光电子学方面的应用　由于半导体量子点可以通过改变颗粒尺寸而获得不同的发射波　长和电子亲和势．与其他有机／聚合物电致发光材料相比，半导体量子　点的发射光谱较窄，因此将发光性能优异的半导体量子点材料与有　机／聚合物发光材料复合用于电致发光器件．来获得高色纯度、窄谱带　以及在可见光范围内发光峰连续可调的系列电致发光器件是一项非　常有意义的工作．使其在光电子器件方面展现出广阔的应用前景。　２．２半导体量子点在生物研究方面的应用　半导体量子点可以与生物大分子相偶联进而应用于活细胞体系，　其在生物学领域的应用获得了多项有意义的研究成就。较窄的发射光　谱允许半导体量子点在活细胞体内和表面上进行多个目标的同时成　像．这就为基于多个分子标记的恶性肿瘤的初步探测和确认提供了可　能性　用量子点进行多色成像，可以减少分析时间和增加可以检测的　生物标记物的数目．具有非常重要的实用意义。　２．３多色实验和诊断方面的应用　量子点可用于体内光学性非侵害性成像。将半导体量子点应用于　芯片上的生物标记后有望给生物材料的检测带来突破性进展．对基因　组学和蛋白质组学的研究非常有用；量子点同样可以应用于药物筛　选．达到双高通量药物筛选。另外半导体量子点还可以应用于溶液矩　阵．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．形成所谓的溶液矩阵。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．量子点在生物医学领域最具诱惑力的应用是纳米机器人的　研究．可以将其注人人体血管内，清楚心脏动脉脂肪沉积物和杀除病　毒和癌细胞。　２．４半导体量子点在公共安全方面的应用　多色量子点，例如ｃｄ　，可用于不同颜色物体的指纹显影，通过　改变指纹颜色．以获得最好的指纹图像，这有利于区分不同的颜色物　体上的指纹　指纹的细节经ＣｄＴｅ量子点溶液浸泡较清楚地显影，其中　黄色的指纹图像更明亮．更清晰．这表明平滑且清晰的指纹图像可以　通过使用多色ＣｄＴｅ量子点获得。另外在有报道将量子点应用于炸药　的荧光检测．取得了一定的效果，因此，量子点在公共安全方面具有潜　在的应用　（下转第７３页）　※基金项目：国家级大学生创新训练计划项目（２０１２１００５８００１９，２０１３１００５８０１５）；天津市外专局项目（Ｙ２０１２０６１　ｏ　通讯作者：许世超。　…以　ｎ０ｋ　技视界ｌ　２９

纳米荧光材料的研究与应用

在当今科技日新月异的时代，纳米材料的研究和应用成为了热门话题之一。其中，纳米荧光材料作为一种新型材料，被广泛应用于生物科学、材料科学和信息技术等领域中。纳米荧光材料具有绿色环保、高发光效率和高光稳定性等优点，因此其研究和应用前景十分广阔。

一、 纳米荧光材料的研究进展

近年来，纳米荧光材料的研究取得了重大进展。其中，量子点是纳米荧光材料的代表性成员。量子点具有极小的尺寸和高表观量子效应，能够在可见光和近红外光谱范围内发光，因此具有广泛的应用前景。

另一方面，碳点作为纳米荧光材料的新兴研究领域，近年来也引起了人们的广泛关注。碳点具有较高的发光效率和分子稳定性，同时还兼备合成简单、绿色环保、生物相容性等优点，因此在生物荧光成像、传感器和生物标记等领域中具有广泛应用。

二、 生物科学中的应用

纳米荧光材料在生物科学领域中应用广泛。以荧光成像为例，纳米荧光材料可以作为高灵敏度的生物标记，实现对生物分子在体内的定位和跟踪。同时，纳米荧光材料还可以应用于分析生物分子的荧光探针和生物传感器中。

同时，纳米荧光材料在临床医学中也得到了广泛应用。例如，荧光示踪技术已应用于肿瘤手术中，可以帮助医生在手术中更准确地定位肿瘤组织，提高手术成功率。此外，纳米荧光材料还可以应用于生物医学成像、疾病诊断等多个领域中。

三、 材料科学中的应用

纳米荧光材料在材料科学中的应用也十分广泛。例如，纳米材料可以作为新型的荧光标记物，广泛应用于纳米复合材料、纳米传感器等领域中。同时，纳米荧光材料还可以作为新型荧光材料，应用于光储存、显示技术、光电子学等领域中。

此外，纳米荧光材料还可以应用于环境保护等领域中。例如，在海洋环境污染监测中，纳米荧光材料可以作为高效荧光探针，实现对海洋环境污染物的高灵敏检测和监测。

结语

纳米荧光材料作为一种新型材料，具有广泛的研究和应用前景。许多科学领域都正在积极地探索和应用纳米荧光材料。未来，随着纳米科技的不断发展和创新，纳米荧光材料必将直面更为广阔的应用前景和更为挑战的研究领域。

纳米材料中的电子量子限制效应研究

纳米科技是当今世界的焦点，它涉及到各行各业，成为城市发展、工业生产和通讯技术的重要支柱。纳米科学与纳米技术的发展已经取得了许多重大的突破，在纳米材料的制备方面尤为突出。纳米粒子、碳纳米管、纳米线等均属于典型的一维纳米材料。对于一维纳米材料，电子量子限制效应是其内在优异性能的重要来源。本文旨在介绍纳米材料中的电子量子限制效应的研究现状。

一、电子量子限制效应的基本概念

电子量子限制效应是指当电子处于一维限制条件下时，其特有的能量分裂现象。一维纳米材料的大尺寸时，其电子具有三维运动自由度，能量可以连续分布，但当其尺度减小到纳米级别时，其轴向量子约束下的能量将呈现出量子化分裂的现象。这种电子分裂现象将使得电子能级在空间坐标x方向上成为离散态，且每个能级之间的能量级别具有固定和差异性，决定了纳米材料特殊的电学、热学和光学性质。电子量子限制效应的大小与纳米材料的尺寸有关，尺寸越小，效应越明显，其尺寸约为纳米级别，这一特性也被称为量子孪生效应或吉布斯效应。

二、一维纳米材料中电子量子限制效应的表现

一维纳米材料中的电子量子限制效应可以通过一系列的实验手段进行观测，可以总结为如下几点：

第一：纳米材料中的电子速度和动量其取值受限制和约束，这将使得纳米材料具有特异的量子特性，如固有相互作用能量、共振能量、电导性和光学特征等。

第二：独立单层石墨烯可以被视为严格意义上的一维纳米材料，由于其具有相对较低的费米速度，一维纳米材料中的电子即具有半导体性质。由于石墨烯属于二维材料，因此，通过对其表面点缺陷加工，便可实现一维纳米材料的制造。 第三：由于电子量子限制效应的存在，一维纳米材料具有不同于其它维材料的物理性质，如连通导电、光电传感器的增强、纳米电子学元器件的开发等。

三、电子量子限制效应的应用

电子量子限制效应不仅是纳米科学的应用之一，也是实现许多出色性能的基础，特别是在新型材料、新型传感器、新型纳米器件等方面有广泛的应用。下面就几种典型的应用进行简述。