人造原子量子点(精)

量子点的制备方法综述及展望来源:1．前言在最近的几十年里，量子点（QDs）即半导体纳米晶体（NCs）由于具有独特的电子和发光性质以及量子点在生物标记,发光二极管，激光和太阳能电池等领域的应用成为大家关注的焦点。

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量子点尺寸大约为1-10 纳米，它的尺寸和形状可以精确的通过反应时间、温度、配体来控制。

当量子点尺寸小于它的波尔半径的时候，量子点的连续能级开始分离，它的值最终由它的尺寸决定。

随着量子点的尺寸变小，它的能隙增加，导致发射峰位置蓝移。

由于这种量子限域效应，我们称它为“量子点”。

1998 年 , Alivisatos和 Nie 两个研究小组首次解决了量子点作为生物探针的生物相容性问题, 他们利用MPA 将量子点从氯仿转移到水溶液，标志着量子点的生物应用的时代的到来。

目前，量子点最引人瞩目的的应用领域之一就是在生物体系中做荧光探针。

与传统的有机染料相比，量子点具有无法比拟的发光性能，比如尺寸可调的荧光发射，窄且对称的发射光谱宽且连续的吸收光谱，极好的光稳定性。

通过调节不同的尺寸，可以获得不同发射波长的量子点。

窄且对称的荧光发射使量子点成为一种理想的多色标记的材料。

由于宽且连续的吸收光谱，用一个激光源就可以同时激发一系列波长不同荧光量子点量子点良好的光稳定性使它能够很好的应用于组织成像等。

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量子点集中以上诸多优点是十分难得的，因此这就要求我们制备出宽吸收带，窄且对称的发射峰，高的量子产率稳定和良好生物兼容性的稳定量子点。

现在用作荧光探针的量子点主要有单核量子点（CdSe，CdTe，CdS）和核壳式量子点（CdSe/ZnS[39], CdSe/ZnSe[40]）。

量子点的制备方法主要分为在水相体系中合成和在有机相体系中合成。

本文主要以制备量子点的结构及合成方法为主线分为两部分：第一部分综述了近十几年量子点在有机相中的制备方法的演变历程，重点包括前体的选择，操作条件和合成量子点结构。

关于量子点的相关知识综述量子点（Quantum Dots）是指粒子直径尺寸小于激子波尔半径且具有明显量子效应的半导体纳米结构，也被称作半导体纳米晶。

它既可以由一种半导体材料制成，例如由Ⅱ-Ⅵ族元素（CdTe、CdS、ZnSe、CdSe等）或Ⅲ-Ⅴ族元素（InAs、InP等）组成，也可以由两种及两种以上的半导体纳米材料组成。

作为一种新型的半导体纳米材料，量子点具有很多优良的特性。

1.量子点的性质（1）量子点的发射光谱能够通过改变量子点的粒子尺寸大小来控制。

通过改变量子点的化学组成成分和粒径大小能够使其发射光谱遍布整个可见光区。

利用量子点的这一性质可以制备荧光光谱特征不同的量子点。

（2）量子点有着很好的光稳定性相比于传统的荧光试剂。

量子点的荧光强度和稳定性比起传统有机荧光材料罗丹明6G强好几十倍以上。

因此量子点在生物标记方面有着广泛的应用，为研究长期相互作用的分子之间提供了重要的作用。

（3）量子点同时具有宽且连续的激发光谱和窄的发射光谱。

利用同一激发光源即可对不同尺寸的量子点进行同步检测，因此可以用作多色标记，极大地促进和发挥了荧光标记的应用。

（4）量子点具有较大的期托克斯位移[8]。

期托克斯位移（Stokes shift）是指量子点的最大紫外吸收峰位与荧光发射峰位所对应的波长之间的差值。

量子点的另一个优异的光学性质就是其具有宽的期托克斯位移，这是量子点显著的光谱特性，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。

图1 斯托克斯位移示意图（5）量子点有着极好的生物相容性。

量子点经过各种化学修饰以后，不但能够提高它的光稳定性和量子产率[9, 10]，而且有利于进行特异性结合，另外其毒性较低，对其他生物体的危害小，可以进行生物活体的标记和检测。

（6）量子点具有很长的荧光寿命。

量子点的荧光寿命可持续数十纳秒，相比于有机荧光染料的寿命几纳秒[11]长很多，当进行光激发以后，多数物质的自发荧光会发生衰变，而量子点的荧光却依旧存在，此时即可采集到无背景干扰的荧光信号。

1 综述1.1 InGaN材料特性铟镓氮（InGaN）材料是第三代半导体材料，它主要应用于光电器件以及高温、高频和大功率器件。

氮化铟（InN）的禁带宽度为0.7eV，氮化镓（GaN）的禁带宽度为3.4eV，这就意味着通过调节In x Ga1-x N三元合金的In组分，可使其禁带宽度从0.7eV到3.4eV连续可调，其对应的吸收光谱的波长从紫外部分(365nm)可以一直延伸到近红外部分(1770nm)，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，因此InGaN材料成为了研究的热点。

除了波长范围与太阳光谱匹配良好外，InGaN与常规的Si、Ge、GaAs等太阳电池材料相比，还有许多优点：第一，它是直接带隙材料，其吸收系数比Si、GaAs高1个到2个数量级，这就意味着InGaN太阳电池可以做的更薄、更轻，从而节约成本，特别是应用于航天的太阳电池，减轻重量非常重要；第二，InN和GaN 的电子迁移率都较高，有利于减小复合，而提高太阳电池的短路电流；第三，InGaN的抗辐射能力比Si、GaAs等太阳电池材料强，更适合应用于强辐射环境；第四，InGaN特别适合制作多结串联太阳电池，由于调节In组分可连续改变In x Ga1-x N的带隙宽度，因此在同一生长设备中，通过改变In 组分就可生长成多结In x Ga1-x N太阳电池结构，比目前用不同的半导体材料制备多结太阳电池更为方便。

此外，InGaN材料还有较高的热稳定性，无毒，抗化学腐蚀性强，不容易被化学液腐蚀，这些对光电器件的制作也是很有利的。

虽然InGaN材料有这么多的优点，但是目前制备高质量InGaN薄膜，尤其是高In组分的InGaN薄膜还很困难，因而限制了InGaN材料的应用，主要原因如下：[1]首先，材料的外延过程中，缺少与InGaN材料晶格匹配的衬底。

通常我们是用与InGaN 晶格常数最为接近的GaN薄膜作为衬底。

但是，随着In组分的变大，InGaN与GaN之间的晶格失配变大，而InN与GaN之间的晶格失配度高达11%。

聚噻吩PTH包裹荧光量子点
聚噻吩
聚噻吩（Polythiophene）是一种常见的导电聚合物。

中文名聚噻吩
外文名 Polythiophene
类属导电聚合物
聚噻吩为红色无定型固体，掺杂后则显绿色。

这一颜色变化可应用于电致变色器件。

聚噻吩不溶，有很高的强度。

在三氟化硼乙醚络合物中电化学聚合得到的聚噻吩强度大于金属铝。

量子点（quantum dot）
是在把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。

有时被称为“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子点原子”，是20世纪90年代提出来的一个新概念。

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纯度：99%
用途：仅用于科研
温馨提示：仅用于科研，不能用于人体实验！
QY小编 ysl 2022.6.21。

量子点的制备方法量子点的物理、化学、物理化学制备方法Q：简述制备量子点的主要物理方法、化学方法和物理化学方法A：量子点是指半径小于或接近于激子玻尔半径的半导体纳米晶粒，量子点发射荧光的可调节性强，通过改变粒子半径的大小可获得从紫外到近红外范围内任意点的光谱。

（一）物理法1、金属蒸发法气相蒸发法制备超微金属粉末的过程中，粉末的形成要经过三个阶段，即金属蒸发产生蒸气阶段、金属蒸气在惰性气体中扩散并凝聚形核阶段和晶核长大阶段。

在蒸发过程中金属蒸气离开蒸发液面后迅速冷却，达到过饱和状态，发生均匀形核，晶核尺寸一般在1nm以下，形成的超微粒子在5nm左右。

2、AFM操纵法原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。

以原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜是利用一种小探针在样品表面上扫描，从而提供高放大倍率观察的一系列显微镜的总称。

原子力显微镜扫描能提供各种类型样品的表面状态信息。

与常规显微镜比较，原子力显微镜的优点是在大气条件下，以高倍率观察样品表面，可用于几乎所有样品（对表面光洁度有一定要求），而不需要进行其他制样处理，就可以得到样品表面的三维形貌图象。

并可对扫描所得的三维形貌图象进行粗糙度计算、厚度、步宽、方框图或颗粒度分析。

3、模板法根据模板性质的不同，又分为软模板法和硬模板法。

其中，软模板法，又称量子点的物理、化学、物理化学制备方法为表面活性剂模板法，即以预先未形成所需结构的有机分子为模板来制备材料；而硬模板法，又称为浇铸法，是以预先已经具有所需结构的固体物质为模板来制备所需要的材料。

30（二）化学法1、沉淀法沉淀法是指在溶液中加入沉淀剂形成过饱和态，生成新相的核（即成核），随后新相从核成长成粒子，最终生成一定尺度的沉淀物的方法。

沉淀法分为直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。

根据量子点的定义，量子点的尺寸约为几纳米到几十纳米，对于尺寸要求较高。

直接沉淀法反应速度快，难以控制产物颗粒的尺寸。

共沉淀法的反应条件过于苛刻，需要选择溶度积差别不大的沉淀剂和性能相似的金属离子，才能避免分布沉淀，产物成分大小不均。

量子点原理量子点是一种纳米级别的半导体材料，具有特殊的电子结构和光学性质。

量子点的大小通常在2-10纳米之间，比普通半导体小得多，因此具有更高的能量态密度和更强的电场效应。

量子点可以用于制造高效能源转换器件、高分辨率显示器、生物传感器等。

一、量子点的基本概念1.1 量子点的定义量子点是指由几十个到几百个原子组成的纳米级别半导体材料，其尺寸小于激发载流子波长，因此可以看作一个三维限制空间中的“人造原子”。

1.2 量子点与传统半导体材料的区别与传统半导体材料相比，量子点具有以下不同之处：（1）尺寸：普通半导体材料尺寸为微米级别，而量子点尺寸在2-10纳米之间。

（2）能带结构：由于其大小接近电荷载流子波长，因此会出现禁带宽度增大和能带分裂等特殊现象。

（3）光学性质：由于其特殊能带结构和限制空间效应，量子点具有特殊的光学性质，如荧光、磷光等。

（4）电学性质：量子点的载流子浓度和迁移率比传统半导体高，因此具有更高的能量态密度和更强的电场效应。

1.3 量子点的分类根据其材料组成和制备方法不同，量子点可以分为以下几类：（1）半导体量子点：由半导体材料制备而成，如CdSe、ZnS等。

（2）金属量子点：由金属元素或合金制备而成，如Au、Ag等。

（3）磁性量子点：具有磁性的量子点，如FePt等。

（4）有机-无机复合物量子点：由有机分子和无机材料组成，如CdSe@ZnS等。

二、量子点的制备方法2.1 溶液法溶液法是一种简单易行、成本低廉的制备方法。

其基本步骤为先将金属盐或半导体前驱体与表面活性剂混合，在适当条件下进行热解或还原反应得到纳米级别的粒子。

溶液法可以制备多种类型的量子点，并且可以控制其尺寸和形状。

2.2 气相法气相法是一种高温高压下制备量子点的方法。

其基本步骤为将金属或半导体前驱体在惰性气体或氢气中加热，使其沉积在基底表面上形成纳米级别的粒子。

气相法可以制备高质量、单分散度好的量子点，但成本较高，操作难度大。