量子點的發展歷程

2020-12-04 電子產品世界

  量子點(Quantum Dots)是指空間三個維度上存在量子限域效應的半導體納米晶材料,又被稱作「人造原子」。量子點材料的粒徑一般介於1-10nm,由於電子和空穴被量子限域,連續的能帶結構變成分立能級結構,由此帶來了發光光譜窄(20-30nm),色度純高,色域廣等優勢。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201712/373529.htm

  在當今納米研究領域,量子點算是明星材料之一。量子點技術的起源要追溯到上世紀70年代中期,最初它是為了解決全球能源危機而發展起來的。目前,量子點的發展主要分為以下四個階段:

  第一階段:

  1983年,Bell實驗室的Brus首次報導了CdS納米晶具有尺寸效應等相關的性質,拉開了量子點研究的序幕[1]。

  1993年,MIT的Bawendi教授和其學生Murray、Norris在JACS上發表了製備高質量CdE(E=Se、Te、S)的合成方法[2],對於均一形貌量子點製備進行了探究。這一階段的量子點納米晶都是通過共沉澱法製備得來的。這種納米晶由於尺寸分布不均勻,且表面缺陷較多,難以得到實際的應用。

  第二階段:

  1994年,Alivisatos教授在Nature上發表了利用CdSe量子點構建發光二極體(LED)的文章[3],開啟了量子點在光電轉換領域應用的密碼。

  1998年,Alivisatos教授[4]和聶書明[5]教授各自同時在Science上撰文,將水溶性的量子點應用於生物醫學領域,證實量子點在這一領域大有可為。Science雜誌把這兩篇文章放在同一期中一前一後發表,這就是量子點研究領域著名的「2013和2016」事件。

  第三階段:

  2001年,彭笑剛教授實現了高質量量子點的簡單、大規模的合成[6],將量子點帶到了全世界的普通實驗室中,讓更多的研究員進行研究。為之後量子點的飛速發展奠定了基礎。同年,聶書明教授和其學生韓明勇在Nature Biotechnology發表了利用量子點進行多色標記和編碼方面的工作,實現了一直以來利用螢光編碼的夢想。

  2002年,Alivisatos教授首次將量子點的應用拓展至太陽能電池領域。雖然基於量子點的太陽能電池還沒有代替染料敏華太陽能電池,轉化效率也不及染料。同年,德國的Weller課題組在JPCB上發表了水相合成CdTe量子點的文章,進一步降低了量子點的合成要求,讓CdTe量子點走進了亞洲(尤其是中國)的實驗室中[7]。但只能用於高質量的CdTe的合成,且在晶體質量、發光強度、穩定性方面都遜於有機相中合成的量子點。

  2003年,Larson等人在Science上報導了量子點的多光子發射性質,這樣在螢光成像的時候可以完全避開生物組織的背景螢光[8]。

  2004年,聶書明和高小虎在Nature Biotechnology上報導量子點在活體腫瘤成像方面的應用[9]。同年,Bhatia在Nano Letter上報導了量子點的生物毒性[10]。這篇文章不但給對量子點狂熱的人們敲了一個警鐘,同時開啟了另外一個研究熱點:納米材料的生物毒性;也是標誌著量子點的研究趨於理性:看到其優勢的同時,也考慮到其生物兼容性等。

  2004年開始,多位科學家報導了CuInS、InP/ZnSe、 MnSe/ZnSe、Si、C等無重金屬離子量子點的研究。

  第四階段:

  2005年,Michalet[11]和 Medintz、Mattoussi[12]分別綜述了量子點在生物傳感、標記和成像領域的應用。

  2012年,新加坡南洋理工大學Luminous!實驗室研發了CdS納米晶體的白光QD-LED,製備了覆蓋所有可見光波段範圍的InP/ZnS無鎘量子點[13]。

  綜上所述,未來更綠色、更低毒、兼容性更強、發光效率更高的量子點材料將成為量子點研究的主要方向。改變量子點材料的顆粒尺寸即可實現整個可見光譜區的覆蓋,將不同尺寸的量子點按照一定比例混合,即可實現類似於太陽光的自然光色,得到較高的顯色指數。量子點材料在提高色彩飽和度與顯色指數的同時,還能降低顯示與照明的功耗,必將成為下一代顯示與照明用核心關鍵光轉化材料。(作者:張敏)

  參考文獻:

  [1]R.Rossetti,S.Nakahaha,L.E.Brus.Quantum size effects in the redoxPotentials,

  resonance Raman spectra,and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solution[J].The Journal of Chemical Physics,1983,79:1086.

  [2]C.B.Murray,D.J.Norris,M.G.Bawendi.Synthesis and Characterization of Nearly Monodisperse CdE(E=S,Se,Te) Semiconductor Nanocrystallites[J].J.Am.Chem.Soc.

  1993,115,8706-8715.

  [3]V.L.Colvin,M,C, Schlamp&A.p.ALivisatos. Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer[J]. Letters to Nature,1994,Nature 370,354-357.

  [4]MB Jr,APAlivisatos. Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological labels[J].Science, 1998,281 (5385) :2013

  [5]Chan WC, Nie S. Quantum Dot Bioconjugates for Ultrasensitive NonisotopicDetection[J]. Science (New York, N.Y.) , 1998 , 281 (5385) :2016

  [6]ZA Peng, X Peng. Formation of High-Quality CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals Using CdO as Precursor[J]. Journal of the American Chemical Society, 2001, 123 (1) :183-4.

  [7]NikolaiGaponik,DmitriV.Talapin, HorstWeller, Thiol-Capping of CdTe

  Nanocrystals:An Alternative to Organometallic Synthetic Routes[J].J.Phys.Chem.

  B2002,106,7177-7185.

  [8]Larson DR, Zipfel WR, Williams RM. Water-Soluble Quantum Dots for Multiphoton fluorescence imaging in vivo[J].Science. 2003 30;300(5624):1434-6.

  [9]GaoX. H., CuiY. Y., Levenson R. M, et.al..In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots[J]. NatureBiotechnol., 2004, 22, 969-976.

  [10]Derfus A. M., Chan W. C. W., Bhatia S. N. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots[J]. Nano Letter, 2004, 4, 11-18.

  [11]Michalet X, Pinaud FF, BentolilaLA,et.al..Quantum Dots for Live Cells, in Vivo Imaging, and diagnostics[J].Science, 2005 Jan 28;307(5709):538-44.

  [12]Medintz IL, Uyeda HT, Goldman ER,et.al.. Quantum dot bioconjugates for imaging, labeling and sensing[J].Nature Materials. 2005 Jun;4(6):435-46.

  [13]X Yang, ST Tan, XW Sun,et.al..High-quality InP/ZnS nanocrystals with high photometric performance and their application to white quantum dot light-emitting diodes[J].Photonics Conference , 2012 , 98 (5) :758-759.

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