量子点的简介

量子点 (Quantum dots,简称QD)也叫做半导体纳米晶体,由少数原子组成,粒径一般为2-10nm。当半导体晶体的颗粒尺寸可以达到纳米量级时,由于具有尺寸限域,在三个空间上载流子都会被束缚住,使其连续的能带被离散开,变成具有分子特性的能级,和原子的不连续

       量子点 (Quantum dots,简称QD)也叫做半导体纳米晶体,由少数原子组成,粒径一般为2-10nm。当半导体晶体的颗粒尺寸可以达到纳米量级时,由于具有尺寸限域,在三个空间上载流子都会被束缚住,使其连续的能带被离散开,变成具有分子特性的能级,和原子的不连续电子能阶结构一样。所以,量子点又有“人造原子”的称呼。量子点是一种新颖的大分子,对量子点的研究探究有助于了解物质性质从原子、团簇到宏观体相的演化。

1.2.1量子点的基本概念

       量子点(quantum dots,QDs)是一种由有限数目的原子组成的纳米材料,其三个维度的尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形,是由半导体材料(通常由IIB~ⅥA或IIIA~VA元素组成)制成的。量子点既可由一种半导体材料组成,如由IIB~VIA族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIA~VA族元素(如InP、InAs等)组成,也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。量子点作为一种新型的半导体纳米材料,它具有许多独特的纳米性质。

1.2.2量子点的发光原理及特性

       量子点的发光特性由空穴、电子、周围环境的相互间作用所决定的。量子点具有可以分离的量子化的能谱,受激能发射出光。量子点吸收高能量的光子后,光子的能量传递到量子点,量子点就会被激发。价带中的电子跃迁到导带,跃迁之后的电子不稳定,可能通过辐射跃迁(而且伴随光子的发射,发射出长波长的光),或是落入半导体的电子陷阱,从高能阶的状态下降到低能阶的状态。电子进入到更深层次的电子陷阱后,大部分会发生非辐射跃迁而泯灭,只有很少量的电子按照光子的形式回到价带,或者以非辐射跃迁的形式回到导带。其原理图如图1-3所示。    
 
                                        半导体量子点

   
量子点的简介  

   

与传统的荧光试剂相比,量子点具有明显的量子效应,具有亮度强、稳定性好、显色性好、色域广等特点,如图1-4所示
 图1-4  (a) CdSe/ZnS和PbS/CdS核/壳量子点的发射光谱;
(b) 量子点色域
 
具体表现在:

(1)颜色可调
       传统的荧光试剂的色彩低调,一般仅有一种特征的颜色,但是量子点可以发射出所有可见光的光谱。因为量子点具有量子尺寸效应,不仅可以调节量子点的颗粒大小,而且还可以改变其化学组成。而且发射光谱峰状尖锐,呈对称性。
(2)光稳定性好
    一般的荧光试剂抗光漂白性能差,而量子点则具有较好的稳定性,能对已标记的物体进行长时间的追踪观察。
(3)激发光谱范围宽
    和传统的荧光试剂相比,量子点的激发光谱宽,发射光谱窄,并且连续分布能实现单一激发,多元发射。
(4)较大的斯托克斯位移
    可以避免发射光谱和激发光普的交叉重叠,非常利于荧光光谱信号的检测。
(5)荧光寿命长,生物相容性好
    因为量子点的重复激发,所有其荧光时效可以持续更久,可持续数十纳秒(20ns-50ns),而传统荧光试剂的荧光寿命大约为2ns。
总之,随着对量子点的不断研究,使量子点在太阳能电池,照明,显示等领域,有着更广阔的应用前景。

1.2.3量子点的其它应用

       随着对量子点的不断深入研究,量子点在生物成像、光电器件和光学设备等领域也有广阔的应用前景。
(1)生物医学
        在医学方面,量子点由于发光光谱宽、颜色可调、抗光漂白性强、荧光寿命长等优点,可作为荧光标记物,使细胞可视化,间接的探测分析物质含量。还能与肿瘤细胞或细菌相结合,辨识出致病菌株。
       在显微镜下观察量子点,在活细胞中监测不到。不过随着活体成像的推广使用,能够发射近红外的量子点,其光谱可以容易地穿过组织,而且可以很好的与背景荧光分离开来,对于细胞成像领域,这是一个巨大的突破。虽然如此,仍然没有解决是量子点的毒性问题,研究表明,量子点的表面配体决定了其危害性。
(2)量子点太阳能电池
       作为一种新型的纳米级材料,量子点有着良好的光电特性。由于能量转换效率理论上限的限制,Si光伏电池的光电效率只有30%,而且实际中,只能达到25%。不过,这种高效率的太阳能电池的成本比较高,基于染料敏化TiO2材料的电池,性价比高,其能量转换效率可到11%,生产过程也简单经济。量子点与染料相对比,量子点有:1.良好的化学稳定性;2.吸收截面大;3.可调的带隙随颗粒尺寸;4.电子-空穴对寿命长等等特性,能替代之前的染料,作为新一代的太阳能电池敏化材料;太阳能电池的基质可以用量子点膜制作,不过转换效率较低。
       然而,还有个争议问题,也就是量子限域效应对增强多激子是否会带来影响。不过至少由于量子点的可调带隙能匹配好太阳光谱的能力,也有非常大的潜力。
(3)量子点激光器
      由于载流子在量子点材料中具有强限制作用,可以制作多层量子点激光器。利用MBE分子束直写技术,在n型GaAs衬底上制备InGaAs量子点,制作成这种激光器。

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