量子点.

量子阱、量子线及量子点
量子阱、量子线和量子点都是量子力学中的概念，用于描述材料中的电子结构和能级分布。

1.量子阱：量子阱是一种由两个能带较宽的材料夹着一个能带较窄的材料组成的结构。

由于能带的差异，其中的电子和空穴被约束在能带较窄的材料区域内，形成分立的能级。

这种空间约束导致材料在电子、光学和能量传输等方面显示出特殊的量子效应。

量子阱常用于制造半导体激光器、光电器件和量子化合物等。

2. 量子线：量子线是一种在空间上被限制在一维结构的材料。

它的特点是在两个维度上非常细小，而在第三个维度上尺寸相对较大。

由于其细长的形状，量子线中的电子在这个方向上的运动受到限制，只能在限定的一维空间中移动。

这样的限制造成了电子能级的离散和束缚态的形成。

量子线可以用于纳米电子学、光电子学和量子计算等领域。

3. 量子点：量子点是一种在三个维度上被限制在纳米尺度的物质颗粒。

它们的尺寸通常在几纳米到几十纳米之间，比较接近原子尺度。

由于其尺寸小于传统半导体材料的布拉维长度，量子点的电子和空穴在三个维度上受到限制，导致量子力学效应变得显著。

量子点能级的离散性使其在光学、电子学和生物医学等领域有广泛的应用，如量子点显示器、太阳能电池和生物标记等。

量子阱、量子线和量子点都是基于材料结构限制下的量子效应，通过限制和调节材料中的电子能级和能量分布，展示出许多独特的性质和应用潜力。

量⼦点（Quantum Dots）量⼦点(quantum dot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的奈⽶材料，由少量的原⼦所构成。

粗略地说，量⼦点三个维度的尺⼨都在100奈⽶(nm)以下，外观恰似⼀极⼩的点状物，其内部电⼦在各⽅向上的运动都受到局限，所以量⼦局限效应(quantum confinement effect)特别显著。

由于量⼦局限效应会导致类似原⼦的不连续电⼦能阶结构，因此量⼦点⼜被称为「⼈造原⼦」(artificial atom)。

科学家已经发明许多不同的⽅法来制造量⼦点，并预期这种奈⽶材料在⼆⼗⼀世纪的奈⽶电⼦学(nanoelectronics)上有极⼤的应⽤潜⼒。

若要严格定义量⼦点，则必须由量⼦⼒学(quantum mechanics)出发。

我们知道电⼦具有粒⼦性与波动性，电⼦的物质波特性取决于其费⽶波长(Fermi wavelength)λF = 2π / k F在⼀般块材中，电⼦的波长远⼩于块材尺⼨，因此量⼦局限效应不显著。

如果将某⼀个维度的尺⼨缩到⼩于⼀个波长（如图⼀所⽰），此时电⼦只能在另外两个维度所构成的⼆维空间中⾃由运动，这样的系统我们称为量⼦井(quantum well)；如果我们再将另⼀个维度的尺⼨缩到⼩于⼀个波长，则电⼦只能在⼀维⽅向上运动，我们称为量⼦线(quantum wire)；当三个维度的尺⼨都缩⼩到⼀个波长以下时，就成为量⼦点了。

由此可知，并⾮⼩到100nm以下的材料就是量⼦点，真正的关键尺⼨是由电⼦在材料内的费⽶波长来决定。

⼀般⽽⾔，电⼦费⽶波长在半导体内较在⾦属内长得多，例如在半导体材料砷化镓GaAs(100)中，费⽶波长约40nm，在铝⾦属中却只有0.36nm。

⽬前量⼦点的制造⽅法主要有以下四种：1.化学溶胶法(chemical colloidal method)：以化学溶胶⽅式合成，可制作复层(multilay ered)量⼦点，过程简单，且可⼤量⽣产。

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。

量子点，又称为半导体纳米晶体，由于它的优异光学性能，已经引起了科学界的广泛兴趣。

[1-3] 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”。

[4] 量子点具有优异的发光性能，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。

相较于体相材料,半导体胶体量子点具有量子限域效应,因而表现出特殊的光学性质。

具体表现为:(1)与尺寸相关的发光性质,可以通过尺寸的调节改变量子点的性质。

相同材料的量子点,尺寸小的量子点的吸收范围和突光发射峰的波长相比于尺寸大的量子点会有蓝移。

(2)发光效率高,光学稳定性好,和有机染料相比量子点的发光性质受自由基的影响更小,因而光学稳定性更高,可以有效地抵抗光氧化。

(3)宽而又连续的的吸收光谱,和窄并且对称的发射光谱,并且量子点可以使用单一激发光激发。

窄而对称的发射光谱使量子点的发光色彩更纯。

(4)较大的斯托克斯位移,不易自萍灭,量子点之间的劳光共振能量转移较低,使劳光效率更高。

由于大多数QDs在有机相中制备，人们必须在其表面修饰上适当的亲水性基团，使之可溶，才能进一步应用到各种生化分析体系中. 常见的修饰方法有共价偶联［10］、配体交换［9］、静电吸附［11］、表面硅烷化［10］、特异性结合［2］等. 如Mioskowsk ［9］小组采取配体交换法，成功制备了形态均一、发射光位于575nm的核-壳式结构QDs，通过此法，还可将氨基、巯基等功能基团交换到QDs表面，进而拓宽QDs应用范围；此外，Johnson ［12］利用生物素与链酶亲和素之间的特异性结合，成功将生物素化的核酸适配体（aptamer）与目标DNA结合的三明治结构和链酶亲和素功能化的双色QDs偶联，实现对DNA基因组的快速、超灵敏检测。

量子点量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。

粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。

量子点，通常是一种由II一Vl族或III-V族元素组成的纳米颗粒，尺寸小于或者接近激子波尔半径（一般直径不超过10nm），具有明显的量子效应。

量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三量子点个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。

量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。

这种约束可以归结于静电势（由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生），两种不同半导体材料的界面（例如：在自组量子点中），半导体的表面（例如：半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。

量子点具有分离的量子化的能谱。

所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。

一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子、空穴或空穴电子对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。

主要性质：(l)量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。

通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。

(2)量子点具有很好的光稳定性。

量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。

因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。

(3)量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。

使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了荧光标记在中的应用。

而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给实际的研究工作带来了很多不便。

此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。

(4)量子点具有较大的斯托克斯位移。

量子点应用量子点是一种具有特殊性质的纳米材料，在科技领域具有广泛的应用前景。

本文将从医疗、能源和显示技术等方面来探讨量子点的应用。

一、医疗应用量子点在医疗领域有着广泛的应用前景。

首先，量子点可以用于生物成像。

由于其尺寸可调性和荧光特性，可以用于标记生物分子、细胞和组织，以实现高分辨率的生物成像。

例如，通过在量子点表面修饰特定的生物分子，可以实现对肿瘤细胞的精确检测，从而为肿瘤的早期诊断和治疗提供便利。

量子点还可以用于药物传递。

量子点具有较大的表面积和载药能力，可以作为药物的载体，实现药物的靶向输送和控释。

通过修饰量子点表面的功能分子，可以实现对药物的靶向传递，提高药物的疗效，并减少对健康组织的损伤。

二、能源应用量子点在能源领域也有着重要的应用价值。

首先，量子点可以用于太阳能电池。

由于量子点具有较窄的能带宽度和调控能带结构的能力，可以调整其吸收和发射光谱，提高太阳能电池的光电转换效率。

此外，量子点还可以作为敏感材料，用于制备高效的光电器件。

量子点还可以用于储能技术。

量子点具有较大的比表面积和高电化学活性，可以作为电极材料用于超级电容器的制备。

量子点超级电容器具有高能量密度、长循环寿命和快速充放电等优点，具有重要的应用前景。

三、显示技术应用量子点在显示技术领域也有着广泛的应用。

首先，量子点可以用于LED背光源。

传统的LED背光源由蓝光LED和荧光材料组成，存在能量损失和色彩饱和度不高等问题。

而量子点可以通过调节其粒径和组成，实现对发光颜色的精确控制，提高LED背光源的色彩还原度和能效。

量子点还可以用于柔性显示技术。

量子点可以通过溶液法制备成薄膜，具有较高的柔韧性和透明性，可以应用于柔性显示器件的制备。

与传统的柔性显示技术相比，量子点柔性显示器具有更高的色彩还原度、亮度和对比度，具有更好的显示效果。

总结起来，量子点在医疗、能源和显示技术等领域具有广泛的应用前景。

通过在医疗领域的生物成像和药物传递、能源领域的太阳能电池和储能技术、显示技术领域的LED背光源和柔性显示技术等方面的应用，可以为人类的生活和科技进步带来巨大的推动力。