量子點(diǎn)完整版本

淺談量子點(diǎn)

CollegeofMaterialsScienceandEngineering,FuzhouUniversity組員：萬(wàn)佳琪、楊克偉、陳小宇、方義導(dǎo)師：馮苗1量子點(diǎn)2量子點(diǎn)制備方法3量子點(diǎn)的分類4量子點(diǎn)研究現(xiàn)狀5量子點(diǎn)的應(yīng)用

目錄Contents01量子點(diǎn)定義

1981年，1種全新概念的納米級(jí)半導(dǎo)體發(fā)光粒子被發(fā)現(xiàn)，我們且稱作“量子點(diǎn)”。量子點(diǎn)是在納米尺度上的原子和分子的集合體，主要是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素組成的均一或核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，又稱半導(dǎo)體納米晶體。量子點(diǎn)電鏡圖片量子點(diǎn)是由有限數(shù)目的原子組成，是準(zhǔn)零維的納米材料，三個(gè)維度尺寸均在納米數(shù)量級(jí)?；咎匦粤孔狱c(diǎn)的基本特性有：量子表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。

量子表面效應(yīng)：隨著構(gòu)成量子點(diǎn)的原子數(shù)量的減少，粒徑也隨之減小，比表面積隨之增大。在化學(xué)性質(zhì)方面，由于大部分原子都位于其顆粒表面，又使得化學(xué)性質(zhì)異?；顫?，極易產(chǎn)生宏觀狀態(tài)條件下不能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；在光學(xué)性質(zhì)方面，其反射系數(shù)會(huì)隨著粒徑的減少而顯著降低。粒徑越小，則顏色越深，即納米顆粒的光吸收能力越強(qiáng)，呈現(xiàn)出寬頻帶強(qiáng)吸收光譜，直至成為黑色。

01量子點(diǎn)基本特性量子尺寸效應(yīng)：量子點(diǎn)最大的特點(diǎn)是能量間隙隨著晶粒的增大而改變，晶粒越大，則能量間隙越小，反之，能量間隙越大。也就是說(shuō)，量子點(diǎn)越小，則發(fā)光的波長(zhǎng)越短（藍(lán)移），量子點(diǎn)越大，則發(fā)光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)（紅移）。根據(jù)量子點(diǎn)的尺寸效應(yīng)，我們就可以運(yùn)用改變晶粒尺寸的方法來(lái)改變發(fā)光光譜，而不再需要改變量子點(diǎn)的化學(xué)組成。量子限域效應(yīng)：量子點(diǎn)是由少量的原子所構(gòu)成的，由于尺寸的限制，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，不能再自由移動(dòng)，這就是所謂的量子限域效應(yīng)。正是這種效應(yīng)導(dǎo)致了量子點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生類似原子一樣的不連續(xù)電子能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此量子點(diǎn)又被稱為“人造原子”。這種“人造原子”在被激發(fā)時(shí)也不再有普通晶體的帶狀光譜，而具有了像原子一樣極窄的線狀光譜性質(zhì)，其光譜是由帶間躍遷的一系列線譜組成。01量子點(diǎn)量子隧道效應(yīng)：對(duì)于納米材料來(lái)說(shuō)，是不可忽視的。粒子的大小達(dá)到納米尺度時(shí)，電子顯現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，當(dāng)自身的能量小于宏觀勢(shì)壘的能量時(shí)，納米粒子的能量能夠使其成功穿越勢(shì)壘，也就是說(shuō)利用穿越勢(shì)壘的方式，使得一個(gè)量子阱進(jìn)入另一個(gè)量子阱，而宏觀物質(zhì)卻沒(méi)有微觀粒子的這種穿透效應(yīng)，這就是量子隧道效應(yīng)?；咎匦?1量子點(diǎn)基本特性（光學(xué)）1、量子點(diǎn)納米顆粒具有良好的線性光學(xué)性質(zhì)，主要體現(xiàn)在發(fā)射峰窄、吸收峰寬。（量子尺寸效應(yīng)）2、量子點(diǎn)熒光材料非常穩(wěn)定，可以經(jīng)受反復(fù)多次的激發(fā)，具有較高的發(fā)光效率。（量子限域效應(yīng)）

3、量子點(diǎn)熒光材料的發(fā)光性質(zhì)可以通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸來(lái)加以調(diào)控。通過(guò)改變量子點(diǎn)熒光材料的尺寸和化學(xué)組成可以使其熒光發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)。

01量子點(diǎn)02量子點(diǎn)的分類柱形量子點(diǎn)球形量子點(diǎn)箱形量子點(diǎn)量子點(diǎn)按其幾何形狀1型量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)化合物半導(dǎo)體量子點(diǎn)元素半導(dǎo)體量子點(diǎn)2型量子點(diǎn)盤形量子點(diǎn)和外場(chǎng)（電場(chǎng)和磁場(chǎng)）誘導(dǎo)量子點(diǎn)立方量子點(diǎn)按其電子與空穴的量子封閉作用按其材料組成03量子點(diǎn)制備方法物理方法化學(xué)方法電弧法金屬有機(jī)分子束外延金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積噴霧熱解法化學(xué)沉淀法水熱法微乳法溶膠凝膠法03量子點(diǎn)制備方法物理方法制備的量子點(diǎn)具有較高的量子產(chǎn)率、較窄的熒光半峰寬度、較好的單分散性和穩(wěn)定性，不足之處是相關(guān)設(shè)備很貴，試劑毒性大，這樣就存在量子點(diǎn)的生產(chǎn)成本高以及操作安全性等方面存在很多缺點(diǎn)，從而限制了它的使用范圍。

化學(xué)方法中研究最多的主要是水相合成法，這種方法合成的量子點(diǎn)粒徑均勻，成本低，綠色環(huán)保，缺點(diǎn)是會(huì)存在一些雜質(zhì)，純度不高。制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)03量子點(diǎn)制備方法金屬-有機(jī)相合成：主要采用有機(jī)金屬法，在高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑中利用前驅(qū)體熱解制備量子點(diǎn)，前驅(qū)體在高溫環(huán)境下迅速熱解并結(jié)成核晶體緩慢成長(zhǎng)為納米晶粒。通過(guò)配體的吸附作用阻礙晶核成長(zhǎng)，并穩(wěn)定存在于溶劑中。該方法制備的量子點(diǎn)具有尺度范圍分布窄，熒光量子產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。但其成本較高且生物相溶性差，量子產(chǎn)率降低，甚至發(fā)生完全熒光淬滅現(xiàn)象。無(wú)機(jī)合成路線：目前常用水溶性硫基化合物，檸檬酸等做為保護(hù)劑在水相中制備量子點(diǎn)。硫基化合物，檸檬酸等與量子點(diǎn)的穩(wěn)定性、功能化有關(guān)，因此選擇帶有適當(dāng)官能團(tuán)的保護(hù)劑對(duì)于控制量子點(diǎn)的表面電荷及其他表面特征極為重要。水相合成量子點(diǎn)操作簡(jiǎn)便，重復(fù)性高，成本低，表面電荷和表面性質(zhì)可控，很容易引入官能團(tuán)分子。量子點(diǎn)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到其應(yīng)用研究的開(kāi)展和研究成果的優(yōu)劣。量子點(diǎn)的表面修飾通常制備的量子點(diǎn)水溶性較差，為了改變這一狀況，我們一般對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行表面修飾。常用的量子點(diǎn)表面修飾技術(shù)可歸納為表面無(wú)機(jī)修飾和表面有機(jī)修飾兩大類。1、量子點(diǎn)表面無(wú)機(jī)修飾：?jiǎn)为?dú)的量子點(diǎn)顆粒容易受到雜質(zhì)和晶格缺陷的影響，熒光量子產(chǎn)率低。當(dāng)以其為核心，用另一種半導(dǎo)體材料包覆，形成核殼結(jié)構(gòu)，可以將量子產(chǎn)率提高，并在消光系數(shù)上有很強(qiáng)的增加，因而有很強(qiáng)的熒光發(fā)射。無(wú)機(jī)修飾還有摻雜量子點(diǎn)，研究得較多的是CdS、ZnS、CdSe、ZnSe、CdTe等摻雜cu、Ag、Mn等。

2、量子點(diǎn)表面的有機(jī)修飾：量子點(diǎn)表面配位不足容易產(chǎn)生帶隙表面態(tài)，通過(guò)加入有機(jī)表面活性等有機(jī)配位體與量子點(diǎn)表面離子鍵合，可以提高表面原子配位的飽和程度。有機(jī)配位體不能同時(shí)將表面陰陽(yáng)粒子完全鈍化，表面依然殘留有較多的懸鍵，鈍化效果不理想，量子產(chǎn)率同樣不能大幅度提高。03量子點(diǎn)制備方法從發(fā)現(xiàn)到前1個(gè)10年的時(shí)間里，人們還僅僅在學(xué)術(shù)的角度研究它的性質(zhì)，又過(guò)了10年的時(shí)間也基本上沒(méi)有找到它的應(yīng)用領(lǐng)域。1981年，1種全新概念的納米級(jí)半導(dǎo)體發(fā)光粒子被發(fā)現(xiàn)，我們且稱作“量子點(diǎn)”。

2000年以后，量子點(diǎn)制備技術(shù)的提高帶動(dòng)了其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是量子點(diǎn)技術(shù)的光譜隨尺寸可調(diào)、斯托克斯位移大、發(fā)光效率高、發(fā)光穩(wěn)定性好等一系列獨(dú)特的光學(xué)性能更是成為近年來(lái)研究的焦點(diǎn)，并取得了重大進(jìn)展。目前，量子點(diǎn)生物技術(shù)首先在醫(yī)藥學(xué)上得到應(yīng)用，量子點(diǎn)電視顯示屏已經(jīng)出現(xiàn)，量子點(diǎn)LED（QLED）光源也在實(shí)驗(yàn)室里誕生。

04研究現(xiàn)狀04研究現(xiàn)狀1、含Cd量子點(diǎn)的研究現(xiàn)狀含鎘量子點(diǎn)有很多種，如CdSe量子點(diǎn)、核殼結(jié)構(gòu)CdSe/ZnS量子點(diǎn)、CdTe、CdSe、CdS、CdS/ZnS、CdSe/CdS等。早期含鎘量子點(diǎn)通常采用膠體化學(xué)方法在有機(jī)體系中合成。但是這樣的量子點(diǎn)容易受雜質(zhì)和晶格缺陷的影響，量子點(diǎn)的產(chǎn)率很低。經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不斷努力，利用納米粒子的有效限域載流子效應(yīng)能使其量子點(diǎn)產(chǎn)率達(dá)到50%。但這些工作中使用的原料仍然為劇毒、易燃、昂貴和室溫不穩(wěn)定的二甲基鎘。近年來(lái)，人們已經(jīng)開(kāi)始采用無(wú)毒、穩(wěn)定且價(jià)廉方法制備含鎘量子點(diǎn)。

當(dāng)前研究比較多的是直接對(duì)有機(jī)相中制備的量子點(diǎn)進(jìn)行表面修飾。此外，水相合成法由于其操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、毒性小，且對(duì)量子點(diǎn)表面性質(zhì)影響較小等優(yōu)點(diǎn)，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)的不同，量子點(diǎn)可以分為2類：窄禁帶量子點(diǎn)如CdSe(1.7eV)

CdTe(1.5eV)等；寬禁帶量子點(diǎn)如ZnS(3.6eV)、ZnSe(2.7eV)和ZnO(3.4eV)。ZnS是一種典型的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體，屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料。早期主要是將ZnS外延生長(zhǎng)在CdSe等量子點(diǎn)的表面，以構(gòu)成一層或多層的寬帶隙的無(wú)機(jī)材料，起到鈍化內(nèi)核表面缺陷的作用，從而提高其熒光效率。后來(lái)才有人將ZnS做成單獨(dú)的量子點(diǎn)。ZnSe量子點(diǎn)是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為2.7eV(460nm)，能發(fā)射藍(lán)色可見(jiàn)光。由于ZnSe量子點(diǎn)無(wú)毒，生物相容性好，因而也受到了研究者的重視。ZnSe量子點(diǎn)可以在水相中直接合成，但是產(chǎn)率降低。04研究現(xiàn)狀2、含Zn量子點(diǎn)04研究現(xiàn)狀ZnO量子點(diǎn)也是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料。ZnO的結(jié)構(gòu)為六方晶體纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=3.249，c=5.206。ZnO晶胞中每個(gè)Zn原子與4個(gè)O原子按四面體分布，室溫下其禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV，比室溫?zé)犭x化能(26meV)大很多。激子不易發(fā)生熱離化。與ZnSe(22meV)、ZnS(40meV)相比，ZnO是一種室溫下優(yōu)良的紫外發(fā)光材料。但ZnO量子點(diǎn)在水相中的光學(xué)穩(wěn)定性和水溶性很差。2、含Zn量子點(diǎn)05量子點(diǎn)的應(yīng)用1、量子點(diǎn)用于檢測(cè)重金屬離子

量子點(diǎn)由于其熒光特性，加入金屬離子會(huì)產(chǎn)生熒光增強(qiáng)或熒光猝滅的現(xiàn)象，因此，量子點(diǎn)可以用于重金屬離子的檢測(cè)。在重金屬離子的檢測(cè)過(guò)程中，量子點(diǎn)濃度對(duì)目標(biāo)重金屬離子的檢測(cè)有一定的影響。濃度低，會(huì)提高其靈敏度，不過(guò)線性范圍變窄，故不能準(zhǔn)確的檢測(cè)體系中重金屬離子；濃度過(guò)高的話，又會(huì)降低檢測(cè)的靈敏度。緩沖溶液的種類對(duì)量子點(diǎn)的表面電荷有不同影響，量子點(diǎn)在不同的緩沖溶液中所表現(xiàn)出的熒光性質(zhì)也有一定的差異。2、量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

量子點(diǎn)作為新型的熒光探針具有激發(fā)光波長(zhǎng)范圍寬、發(fā)射光譜寬度窄、熒光強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好以及壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，這使其比傳統(tǒng)的有機(jī)染料具有明顯的優(yōu)越性。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于多種研究和應(yīng)用領(lǐng)域，包括基本的細(xì)胞成像、臨床診斷、醫(yī)學(xué)成像。隨著量子點(diǎn)質(zhì)量和表面修飾技術(shù)的提高，量子點(diǎn)在生物成像方面有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)成像中的研究表明量子點(diǎn)完全可以達(dá)到與傳統(tǒng)熒光物質(zhì)一樣的成像效果甚至更高，尤其是其能在活細(xì)胞中長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤目標(biāo)分子，而傳統(tǒng)的熒光物質(zhì)是根本無(wú)法完成的。研究表明，量子點(diǎn)正成為在醫(yī)學(xué)成像中一種有力的熒光探針和診斷工具，對(duì)研究疾病的發(fā)病機(jī)理、特別是熒光探針對(duì)癌細(xì)胞的成像等方面將會(huì)發(fā)揮巨大的作用。05量子點(diǎn)的應(yīng)用3、量子點(diǎn)在照明領(lǐng)域的應(yīng)用2009年，第1個(gè)量子點(diǎn)LED（QLED）燈泡在美國(guó)誕生。2010年，中國(guó)人取得了量子點(diǎn)技術(shù)顛覆性的突破，成為QLED照明進(jìn)入實(shí)用化的起點(diǎn)。量子點(diǎn)是QLED發(fā)光的基本材料。實(shí)現(xiàn)QLED發(fā)光的主要有兩種形式：一是采用在GaN基LED中作為光轉(zhuǎn)換層，有效吸收藍(lán)光發(fā)射出波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)精確可調(diào)的各色光；二是采用其電致發(fā)光形式，將其涂敷于薄膜電極之間而發(fā)光。

電致發(fā)光型QLED原理圖與傳統(tǒng)的光源相比QLED的白光，在原理上可以完全做到與理想照明光源一致，更加接近于自然光，并且發(fā)熱會(huì)進(jìn)一步減少。QD-LED由于發(fā)光性能良好、使用壽命長(zhǎng)，正在逐步取代傳統(tǒng)照明材料成為新的“綠色”發(fā)光光源。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于LED領(lǐng)域的納米量子點(diǎn)的研究還比較少。國(guó)外LED納米量子點(diǎn)也還基本處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。05量子點(diǎn)的應(yīng)用4、量子點(diǎn)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用量子點(diǎn)的在很多方面都有很大的應(yīng)用，比如量子點(diǎn)在光電方面