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什麼叫做量子點?

2018年07月16日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 14 ℃ 次

【劉洋的回答(51票)】:

身為一個有自知之明的學渣,本來不大想在這種問題上班門弄斧,但是隱約覺得排名第一的答案裡有些和我所知道的不太一樣……稍微提幾點@Andrew Shen 君答案中不那麼確切的部分吧。

我們通常把量子點分成三類:膠體量子點,自組裝量子點和電場約束量子點。其中膠體量子點和自組裝量子點是可以發射螢光的,電場約束量子點正常情況下,不經過奇思妙想的設計,不大能發光。

1. 膠體量子點/什麼是量子點

很多周圍的同學說起量子點,腦子裡出來的都是這種美美噠畫面,我也喜歡從這裡開始給大家講量子點。

大家看到這些五顏六色的小瓶子了,這些小瓶子裡裝的其實都是同一種物質的懸濁液,之所以發光顏色不同,是因為懸在裡面的半導體顆粒大小不同。比如說,藍瓶的那個裡面的顆粒會比較小一點,然後從左往右,隨著顆粒依次增大,顏色也從藍色過渡到了紅色。這種量子點就是所謂的膠體量子點。

簡單的說,如果大家還記得量子力學第一課,一維勢阱模型,這裡並不難理解。當然,不記得也無妨。總之在這種半導體結構裡,物質的長寬高越小,發光的波長就會越短,顏色就越偏近於藍色。反之則是紅色。

說了這麼多,總結一句話。作為量子點這種可愛的材料,你控制了它的大小,就改變了它的能量結構,甚至是化學性質。於是我們在某些情況下,可以更加方便地控制這些材料的性能。比如說吧,膠體量子點可以用來做顯示屏裡的發光單元,在這樣的情況下,我們就不用再拘泥於RGB了,每一個顯色的單元裡,紅橙黃綠青藍紫併肩子上也不是問題了!

而這也是「量子點」和「納米顆粒」這兩個概念的根本區別。量子點這種材料,利用的是半導體能級在尺度極小之後的量子化現象,而「納米顆粒」這個概念更大一點,當物體達到納米級別,可以發生的事情太多了,比如表面積增大啊,什麼什麼什麼的(學渣嘴臉盡顯)。

2. 自組裝量子點/自頂向下量子點?

嚴格意義上來說吧,我覺得自組裝量子點跟膠體量子點也沒那麼大的不同,雖然這個不幸是我的老本行,理論上來說我應該對這一段大說特說。

膠體量子點是化學合成出來的,漂浮在液體中。雖然每一個小顆粒都像原子一樣有著不同的殼層,但想抓住其中的一個認真拷問它作為一個「有分立能級的粒子」的性能,幾乎是不可能的。(其實也不算不可能,我們組就做過一些嘗試,雖敗猶榮……)

這個時候自組裝量子點就登場了。自組裝量子點的生長是典型的自底向上。宛如種莊稼一般。舉個特別糟糕的栗子,就像給一個e杯的姑娘穿b杯的bra,自然就擠出了多餘的塞不進去的肉,也就形成了三維的微觀結構(希望有節操的同行同組全都不要八我是誰啊嗚嗚嗚……)

自組裝量子點是長在基片上的。如果把膠體量子點比作一杯珍珠奶茶,自組裝量子點就是一張芝麻大餅。芝麻也好,珍珠也好,都是在三個維度上受限的半導體。唯一的本質區別就是,實驗中定位一粒芝麻遠比定位一粒滾來滾去的珍珠容易的多。

之所以我會把自頂向下量子點也曖昧地列在這一段裡,是因為利用刻蝕之類的所謂自頂向下的方式,也能製造出這類的量子點。這一大類量子點的優越性在於1. 能發光, 2. 便於做有關單個量子點的研究, 3. 易於調教。所謂調教,一般就是加電場,加磁場,加壓力,加更多的激光。其中一些手段自然也是可以用在膠體量子點上的。但是膠體量子點大小不一,又很難撈出一個單個的來玩,所以我們看到它的表現,是成萬上億個群眾的共同作用。所以很多只有細微觀察才能看到的,個體的經歷和內心掙扎,我們是無法看到的……

3. 電場約束量子點

對不起我是搞光學的,對這種不發光的東西不太懂……

呃好吧我還是不傲嬌了。電場約束量子點這個東西我的確理解得比較片面。首先,這種量子點也是通過自頂向下的方式製造的。通過在半導體基片上瘋狂加電極並且控制電場,我們可以給電子們製造一個溫暖的小窩……沒有電場的時候,這個小窩是不存在的……

配圖如下:

傅裡葉變換後,應該是這幅圖:傅裡葉變換後,應該是這幅圖:

那兩個紅色的區域,就是對半導體內電子進行三維量子化囚禁的監牢。因為我們只束縛了電子而沒有像前兩個例子一樣同時束縛空穴,這種量子點是不能啪啪啪地發出螢光的……那兩個紅色的區域,就是對半導體內電子進行三維量子化囚禁的監牢。因為我們只束縛了電子而沒有像前兩個例子一樣同時束縛空穴,這種量子點是不能啪啪啪地發出螢光的……

但是,它的電學性能那是無比精準啊!而且不論是大小位置能級之類的東西,一切都可以做到完美啊!誰叫它是用電場束縛的呢?

所以,當人們談起量子計算,談起的是它,而不是會發光又很乖不愛亂跑的自組裝量子點……

關於這幾種量子點到底哪種更便宜的問題,我不大想說。大家都知道,為了發頂級文章,我們最好可以無所不用其極地使用變態的昂貴的方法製造量子點,但是,如果我們沒有設備沒有條件,我們也可以做一些性能比較挫的樣品,然後強調它易於制備,經濟性能好。說來說去,我們最終的目的只是簡單地為了發文章而已……「便宜」和「表面態影響」,可以說是材料科學界的「早點睡」和「多喝水」。

4. 應用(緩慢更新中)

4.1 量子點顯示器

看到一樓問量子點屏幕的事。實話實說我是現場問度娘的。對這個應用方向我第一反應是好啊好啊大勢所趨,第二反應是擦膠體量子點不是很不穩定麼。

首先量子點顯示屏使用的是的確製作成本非常低廉的膠體量子點。它們所取代的傳統顯示屏的部件,是在液晶顯示屏背後的白色LED光。前文有雲,調整量子點大小則可輕易得到你想要的顏色。所以,我們可以通過混合不同大小的量子點做出覆蓋光譜更廣闊,更均勻,更美麗的白光。而用這種量子點發出的白光作為背光,我們可以讓顯示屏的效果更拔群。

這種技術本身並不前沿,僅僅是用量子點的白光替代了LED的白光,主要的槽點是1)量子點制備過程不乾淨,裡面有殘留的重金屬毒素怎麼辦(已經在解決); 2) 膠體量子點壽命有限怎麼辦(大家好像都在迴避這個問題)。考慮到這兩點,如果你對色彩的飽和度沒有特別的追求,我覺得沒什麼必要急著出手。

以下這篇報道說得聽清楚,我就不複製粘貼了。

wechat.fingerdaily.com/

5. 跋

在這裡拉拉雜雜寫這麼多,想來我不是大v,也不會說話,估計多年以後,這個答案依然會被淹沒在各種0贊裡(已經不是0讚了!很開心!)。但是,如果你不知何故竟然讀了這個不靠譜的介紹,請務必給我提點意見。我很希望有一天,有人能告訴我,是我給ta講清楚了量子點究竟是怎麼一回事,也不枉本學渣誤入此行多年。

【蘇雅蘭的回答(77票)】:

量子點最廣泛的定義就是零維量子系統, 即在所有三個空間維度上都受到限制的系統. 這個限制導致最直接以及最重要的結果就是分立的能級, 即量子點中電子的能量是量子化的.

因為在空間三個方向都受到限制, 所以量子點最大的特點便是"小". 常見的量子點比如: 納米晶體, 原子簇, 分子(如C60) 以及一些納米半導體器件.

量子點最合適的分類方式, 在我看來是按照其合成方法進行分類.

  • 自底向上(bottom-up): 比如化學合成, 分子或原子的自組裝. 通過這類方式可以廉價地規模化地得到量子點. 這個領域的先驅是 Louis E. Brus. 下圖是通過這種方式合成的 CdSe 的 TEM 圖像:

這類量子點最大的應用是螢光. 由於量子點的能級是分立的, 電子在這些能級之間躍遷將會發出特定波長的光. 而分立的能級間距又由量子點的大小決定, 因此不同尺寸的量子點將會發出不同顏色的螢光. 同樣是 CdSe 的量子點, 其發出的螢光顏色隨其大小的變化如下圖: 這類量子點最大的應用是螢光. 由於量子點的能級是分立的, 電子在這些能級之間躍遷將會發出特定波長的光. 而分立的能級間距又由量子點的大小決定, 因此不同尺寸的量子點將會發出不同顏色的螢光. 同樣是 CdSe 的量子點, 其發出的螢光顏色隨其大小的變化如下圖:

容易發現量子點越小發出的螢光波長越短, 即能級差越大. 這是很容易理解的. 回憶最簡單的量子力學系統: 無限深勢阱, 其能級容易發現量子點越小發出的螢光波長越短, 即能級差越大. 這是很容易理解的. 回憶最簡單的量子力學系統: 無限深勢阱, 其能級

隨勢阱寬度

的變化為

.

對於這個性質的應用, 之前一個回答已經講得很多了, 不在此贅述.

  • 自頂向下(top-down): 從高維材料出發, 通過光刻或蝕刻等手段將其限制為低維量子點. 這類量子點通常為半導體器件, 尺寸相較於之前的量子點較大, 通常為 50nm-100nm. 這種合成方法也比較昂貴, 通常需要用到 MBE 等手段. 但優點是靈活可控. 下圖是通過這種方式合成的垂直半導體量子點:

這類量子點由於能級分立, 彷彿原子, 因此也被稱為"人造原子"(artifical atom). 相比於真實的原子, 人們可以輕鬆地控制原子中的電子數量, 實現通常在原子物理中做不到的實驗. 下圖是在一個類似上圖的垂直半導體量子點的"能譜"圖: (引自 這類量子點由於能級分立, 彷彿原子, 因此也被稱為"人造原子"(artifical atom). 相比於真實的原子, 人們可以輕鬆地控制原子中的電子數量, 實現通常在原子物理中做不到的實驗. 下圖是在一個類似上圖的垂直半導體量子點的"能譜"圖: (引自 Phys. Rev. Lett. 77, 3613 (1996))

確實可以看到分立的能級. 而且在 2,6,12 這些滿殼層電子數上出現了週期性. 確實可以看到分立的能級. 而且在 2,6,12 這些滿殼層電子數上出現了週期性.

(在上面的圖中 V=0 但沒有電流, 這很大程度上是所謂 Coulomb blockade 效應的結果. 這是量子點中一個重要的物理現象, 不在此贅述. )

人造原子可以用來實現傳統的量子電子學中難以實現的功能, 比如所謂單電子晶體管(SET: single-electron transistor). 同時人造原子也是物理學家們研究凝聚態中量子多體問題有趣的 playground. 大概最著名的例子就是在 SET 中對 Kondo effect 的研究: Kondo effect in a single-electron transistor : Abstract : Nature. 不在此贅述.

量子點還有一些有趣的應用. 比如所謂分子電子學. 下圖是一個典型的 molecule junction: (引自 Electron Transport in Molecular Wire Junctions)

但制備單分子的電子器件十分困難, 已有的一些實驗結果被認為有很大爭議. 現在這個領域已經逐漸沉寂了下來.但制備單分子的電子器件十分困難, 已有的一些實驗結果被認為有很大爭議. 現在這個領域已經逐漸沉寂了下來.

【RichardGu的回答(6票)】:

量子點屬於一大類新材料——溶液納米晶中的一種。溶液納米晶具有晶體和溶液的雙重性質,量子點是其中馬上具有突破性工業應用的材料。

與其他納米晶材料不同,量子點是以半導體晶體為基礎的。尺寸在1~100納米之間,每一個粒子都是單晶。量子點的名字,來源於半導體納米晶的量子限域效應,或者量子尺寸效應。當半導體晶體小到納米尺度(1納米大約等於頭髮絲寬度的萬分之一),不同的尺寸就可以發出不同顏色的光。比如硒化鎘這種半導體納米晶,在2納米時發出的是藍色光,到8納米的尺寸時發出的就是紅色光,中間的尺寸則呈現綠色黃色橙色等等。量子點的化學成分,發光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區,而且色純度高、連續可調。

量子點可以應用在生物醫療領域。我們能用量子點把細胞的骨架完全顯示出來。與其它種類的檢測手段相比,量子點發光材料做檢測肯定是有優勢的。我們可以很容易地利用量子點的不同顏色來同時檢測多種病菌或者農藥殘留。而且,因為量子點吸收能力非常大,能夠大大提高靈敏度。

量子點也能應用於照明產業。目前照明消耗的能量大致相當於電能的20%。但人造光源的光效率是很低的。例如,照明質量高的白熾燈,光效只有2%。如果能把效率提高到20%,就意味著能節省能源消耗的20%。美國能源部的固態照明路線圖寫了一段話:量子點在人類照明領域將起到重要作用。

另外,還有顯示產業。目前的第一代量子點顯示設備,是氮化鎵LED與量子點結合的背光源產品,納晶公司和美國兩家高科技公司都已經進入商業化階段。這種新型的背光源,讓顯示顏色的純度、色飽和度很高,是其它顯示技術難以企及的。

標籤:-化學 -物理學 -量子物理 -材料 -固體物理


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