2023年諾貝爾化學(xué)獎揭曉，量子點(diǎn)點(diǎn)亮未來

在宏大宇宙的微小尺度下，隱藏著無盡的可能。每一個微小的粒子背后都承載著許多秘密，等待著人類的探索。近幾十年來，有一種特殊的微小粒子以其獨(dú)特的“美麗”和強(qiáng)大的功能吸引了我們的目光，它們就是量子點(diǎn)。

量子點(diǎn)是一種納米級半導(dǎo)體發(fā)光材料，本質(zhì)上是一種特殊制造的納米顆粒，其特殊之處在于可以通過控制它們的尺寸和形狀來改變其光學(xué)和電子特性。通俗的說法就是：量子點(diǎn)可發(fā)出的光的顏色可以通過改變它們的尺寸來調(diào)節(jié)。

(資料圖片僅供參考)

量子點(diǎn)微小而獨(dú)特，攜帶著顏色的魅力和光的希望，為人類打開了嶄新的世界，讓我們能夠以全新的視角看待物質(zhì)的奧秘和生命的色彩。

2023年10月4日，2023年諾貝爾化學(xué)獎授予了Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov，以表彰他們在量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和合成方面做出的貢獻(xiàn)。

量子點(diǎn)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電視、LED燈以及醫(yī)療（在手術(shù)中指導(dǎo)外科醫(yī)生切除腫瘤組織）等多個領(lǐng)域。未來，量子點(diǎn)有望為柔性電子、微型傳感器、更薄的太陽能電池和加密量子通信做出貢獻(xiàn)。

量子點(diǎn)到底為什么能從眾多科研成果中脫穎而出，獲得諾貝爾獎評委的青睞呢？看完這篇文章，相信你能夠找到答案。

量子點(diǎn)的理論基礎(chǔ)可以追溯到量子力學(xué)的發(fā)展，其制造靈感來自一百多年來人類對納米尺度物質(zhì)量子效應(yīng)的揭示。隨著納米技術(shù)的發(fā)展和對量子力學(xué)的深入理解，科學(xué)家們開始探索在納米尺度上制造半導(dǎo)體，以利用量子效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)新的物理性質(zhì)和應(yīng)用。這種探索和實(shí)驗(yàn)最終導(dǎo)致了量子點(diǎn)的發(fā)明和制造。

那么，量子點(diǎn)的具體結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？

量子點(diǎn)是由數(shù)百或數(shù)千個原子組成的小團(tuán)體，它們的尺寸非常小，通常在2—10納米范圍內(nèi)。量子點(diǎn)具有特定的三維結(jié)構(gòu)，通常是球形或橢球形。一般的量子點(diǎn)由鎘硒或鉛硫化物等半導(dǎo)體材料組成“核”。有時量子點(diǎn)的核會被另一種材料包裹，形成“殼”，以改善其光學(xué)和電子性質(zhì)。

量子點(diǎn)是與量子力學(xué)緊密結(jié)合的尖端技術(shù)，對它的理解自然繞不開量子力學(xué)。但量子力學(xué)是人類掌握的最為復(fù)雜抽象的概念之一，接下來的段落，筆者將先用量子力學(xué)的一些基本概念來對量子點(diǎn)的特征進(jìn)行解釋，再套用一個生活化的比喻加深大家的理解。

由于量子點(diǎn)的尺寸非常小，電子和空穴的運(yùn)動受到空間限制，不能自由移動。這種空間限制導(dǎo)致電子和空穴的能量只能取特定值，與宏觀尺度上的半導(dǎo)體材料不同，后者的能量取值是一系列連續(xù)值。這種離散的能級使得量子點(diǎn)具有獨(dú)特的光學(xué)和電子學(xué)性質(zhì)，例如可調(diào)節(jié)的發(fā)光顏色和高的量子效率。那么，為什么空間限制會導(dǎo)致電子和空穴的能量不能連續(xù)變化呢？

在量子力學(xué)中，微小空間會使得粒子的能量量子化（量子化的含義之一就是只能取特定值，而非連續(xù)值）。也就是說，在量子點(diǎn)的小空間內(nèi)，電子和空穴的能量只能取特定的離散值，而不能連續(xù)變化，這是由量子力學(xué)的基本原理（波函數(shù)和能量量子化）決定的，也與宏觀尺度上的物質(zhì)形成鮮明對比。比如在一塊普通的半導(dǎo)體材料（宏觀尺度）中，電子和空穴能在連續(xù)的能量范圍內(nèi)取值。

下面筆者就用生活中的事例來進(jìn)行比喻，讓上面這段話更好理解。

想象現(xiàn)在有一個大舞臺和一個小舞臺。在大舞臺上（宏觀物質(zhì)），舞者（電子和空穴）可以自由移動，展示連續(xù)流暢的舞蹈動作。但在小舞臺（量子點(diǎn)）上，舞者的移動受到空間限制，只能展示特定的、有限的舞蹈動作，這些動作就像量子點(diǎn)中的離散能量級。所以，舞者在小舞臺上的表演方式會受到舞臺大小的限制，類似于電子和空穴在量子點(diǎn)中的能量受到空間限制。

那么，為什么離散的能量級會讓量子點(diǎn)具有獨(dú)特的光學(xué)和電子學(xué)性質(zhì)呢？

如果還是用舞蹈來舉例子，我們可以說正是因?yàn)槲枵叩膭幼鞣浅Ｊ芟?，所以他們對這些動作爛熟于心，比如雖然能跳舞，但卻只能表演一個令人驚艷的開場亮相。在量子點(diǎn)中，由于空間限制，電子和空穴只能在離散的能量級之間跳躍，就像舞者在有限的動作中精雕細(xì)琢。這種精確的能量控制使得量子點(diǎn)能夠發(fā)出特定顏色的光。

量子點(diǎn)技術(shù)與LED、OLED和MiniLED等其他發(fā)光技術(shù)相比，提供了一種能夠在顏色表現(xiàn)、效率、可調(diào)光譜和微型化方面具有優(yōu)勢的解決方案。我們來詳細(xì)說說量子點(diǎn)的優(yōu)異所在。

良好的色彩表現(xiàn)：量子點(diǎn)能夠產(chǎn)生非常精確和飽滿的顏色，因?yàn)樗鼈兊陌l(fā)光波長可以通過改變尺寸和材料來精確調(diào)控，從而產(chǎn)生寬色域和高色彩準(zhǔn)確度。

高效率：量子點(diǎn)具有高的量子效率，即電到光的轉(zhuǎn)換效率很高，這意味著它們能以較低的能耗產(chǎn)生明亮的光。

可調(diào)光譜：通過簡單地改變量子點(diǎn)的尺寸，可以改變它們發(fā)出的光的顏色，這種可調(diào)性為設(shè)計師提供了更多的靈活性，可以根據(jù)需求定制光譜。

尺寸?。河捎诹孔狱c(diǎn)的納米尺寸，它們可以用于微型和集成電子應(yīng)用，如微型顯示器和生物成像技術(shù)等。

長壽命：在適當(dāng)?shù)姆庋b條件下，量子點(diǎn)的化學(xué)和光學(xué)穩(wěn)定性較高，從而提供了較長的使用壽命和較低的維護(hù)成本。

顯示技術(shù)：量子點(diǎn)已經(jīng)用于QLED顯示技術(shù)（Q代表的就是量子點(diǎn)），它們被摻雜在薄膜中，該薄膜位于LED背光和液晶層之間。量子點(diǎn)可以吸收LED背光，并重新發(fā)射不同顏色的光，以提高顯示器的色彩表現(xiàn)和效率。

生物成像和生物標(biāo)記：量子點(diǎn)可以作為熒光探針，它們能夠與特定的生物分子結(jié)合，發(fā)出特定顏色的光，使得科學(xué)家能夠在細(xì)胞和組織級別跟蹤生物過程。

太陽能電池：量子點(diǎn)能夠吸收寬光譜范圍內(nèi)的光，包括紅外和紫外光。這使得量子點(diǎn)增強(qiáng)的太陽能電池能夠比傳統(tǒng)的太陽能電池捕獲更多的太陽能。

光催化：量子點(diǎn)可以作為光催化劑，它們能夠吸收光并產(chǎn)生電子和空穴，這些電子和空穴可以參與化學(xué)反應(yīng)，例如水的光解。

光電探測和傳感器：量子點(diǎn)的光電性質(zhì)使它們成為制作高靈敏度和高選擇性的光電探測器和傳感器的理想材料，它們能夠檢測特定波長的光或特定類型的化學(xué)和生物分子。

醫(yī)學(xué)診斷和治療：量子點(diǎn)能作為熒光探針或藥物載體，為癌癥診斷和治療提供新的可能。例如，量子點(diǎn)可以幫助醫(yī)生在手術(shù)中精確定位腫瘤，或?qū)⑺幬锞_輸送到體內(nèi)的特定區(qū)域。

紅外光源：最新的研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整量子點(diǎn)的大小和組成，可以使它們發(fā)射紅外光。這種紅外光源可以用于通信、成像和傳感應(yīng)用，提供了一種低成本和高效的紅外光源解決方案。

在探索量子點(diǎn)的奇異世界中，我們不僅僅是在尋找一種新的物質(zhì)或技術(shù)，更是在探尋生命和宇宙的更多可能。每一種顏色、每一處光芒，都是量子點(diǎn)為我們展示的神秘畫卷。

通過量子點(diǎn)，我們得以一窺微觀世界的奇異，感受到科學(xué)與生活的緊密聯(lián)系。隨著量子點(diǎn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來的生活將更加多彩和驚喜。每個微小的量子點(diǎn)，都有可能點(diǎn)亮我們生活的每一個角落，讓我們共同期待，那未知而美好的未來。

出品：科普中國

作者：張昊（大阪大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽

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