2023年10月4日北京時間17時45分許，美籍法國-突尼斯裔化學(xué)家Moungi Bawendi，美國化學(xué)家Louis Brus和俄羅斯物理學(xué)家Alexei Ekimov因“發(fā)現(xiàn)和合成量子點”獲得2023年諾貝爾化學(xué)獎。這一特殊榮譽的頒布讓我們將更多的視角給到了量子點的研究。量子點 (QD) 因其獨特的電子、光學(xué)和結(jié)構(gòu)特性而引起了人們的極大興趣。本文對量子點的合成、性質(zhì)和應(yīng)用的最新進展進行了簡要分析。我們討論了合成技術(shù)，包括膠體合成和水熱合成兩種方法，并強調(diào)了這些技術(shù)的基本原理如何影響量子點的最終性質(zhì)。然后，我們深入研究了量子點的廣泛應(yīng)用，從基于量子點的顏色轉(zhuǎn)換、發(fā)光二極管和生物醫(yī)學(xué)到基于量子點的密碼學(xué)和自旋電子學(xué)。最后，我們確定了量子點研究的當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來前景。

1. 引言

量子點是微小的半導(dǎo)體納米粒子，尺寸只有幾納米(從幾納米到幾十納米不等)，具有量子約束最重要的特性之一。Onyia等從理論上研究了量子約束對量子點的影響。更一般地說，當(dāng)一個系統(tǒng)的一個或多個維度小到足以影響其電子態(tài)密度時，則稱該系統(tǒng)是受限的。因此，量子點就是其中電子被限制在各個方向上，這導(dǎo)致需要更大的振蕩強度用于電子躍遷，可用于制造各種電子設(shè)備，包括太陽能電池、LED 和晶體管。

量子點具有與塊狀材料不同的特性，例如尺寸，因為由于量子點的尺寸小，它們具有高的表面積和體積比，使它們具有高反應(yīng)性(或活性)，而塊狀材料的尺寸較大。量子點在具有(δ)功能的態(tài)密度中具有離散的量子化能級，如圖1所示，而不是像塊狀材料那樣具有連續(xù)的能級范圍。

圖1.狀態(tài)密度 (DOS) 變化的示意圖，其中 (A) 塊狀材料，(B) 2D，(C) 1D，(D) 0D

在這個尺度上，材料的電子和光學(xué)特性開始偏離散裝材料的電子和光學(xué)特性，例如尖銳的吸收和發(fā)射光譜。除此之外，量子點還具有令人印象深刻的調(diào)諧帶隙能力，可以通過調(diào)節(jié)量子點的大小來有效控制。此外，還展示了通過合金化量子點核心來調(diào)整帶隙的其他幾種方法。在散裝材料中找不到此特性。仔細控制這些特性使量子點在傳感、醫(yī)學(xué)(即基于光的治療和診斷)、生物技術(shù)、光電子學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用中具有很高的吸引力。

根據(jù)應(yīng)用類型及其獨特特性，使用了不同類型的量子點。早在 1980 年代初，當(dāng)研究人員首次開始研究小到足以顯示量子約束的半導(dǎo)體粒子的特性時，量子點的歷史可能已經(jīng)確立。阿列克謝·埃基莫夫(Alexey Ekimov)在1981年的研究被廣泛認為是半導(dǎo)體納米晶體(目前稱為QD)中量子約束的首次有記錄的實驗觀察。使用化學(xué)合成技術(shù)，Ekimov和他的團隊在玻璃基質(zhì)中生產(chǎn)了硒化鎘(CdSe)納米晶體，他們發(fā)現(xiàn)納米晶體的光學(xué)特性與塊狀CdSe的光學(xué)特性有很大不同。 這是經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的。在接下來的幾年里，研究人員開始探索用于量子點的其他半導(dǎo)體材料，包括碲化鎘(CdTe)、砷化銦(InAs)和磷化銦(InP)。這些材料中的每一種都具有獨特的特性，因為它們具有不同的帶隙，因此非常適合廣泛的應(yīng)用。例如，基于I-III-VI.組合物的量子點，如硫化銅銦(CuInS₂)和硫化鋅(ZnS)由于毒性較低，被認為是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中鎘基量子點的極好替代品。此外，除了更具生物相容性外，Ag-In-S QDs還表現(xiàn)出巨大的光吸收和發(fā)射潛力。它們還具有較長的光致發(fā)光 (PL) 壽命和高量子產(chǎn)率

CdSe 是用于光電子學(xué)和生物成像的不錯選擇，而 CdTe 和 InAs 用于太陽能電池和紅外探測器。這些量子點可以從有機和無機材料中生長出來。量子點有多種結(jié)構(gòu)，包括新的三元I-III-VI.型，它是含重金屬量子點的更安全的替代品。硫化銅銦(CIS)結(jié)構(gòu)，其原子排列在晶格中，對現(xiàn)代技術(shù)至關(guān)重要。通過改變CIS量子點的尺寸，可以調(diào)整其帶隙，使其高度適應(yīng)于太陽能電池和LED，從而實現(xiàn)更高效的器件和更大的顏色變化。此外，CIS QD 穩(wěn)定且易于合成，使其成為生物光子學(xué)等應(yīng)用的有前途的材料。將量子點摻入基體結(jié)構(gòu)中可產(chǎn)生具有獨特性能、提高穩(wěn)定性和增強機械性能的納米復(fù)合材料。例如，在 CaCO3 中使用 CdZnTe 量子點與純CdZnTe量子點相比，基質(zhì)具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性，此外，納米復(fù)合材料具有良好的加工性能，使其成為各種應(yīng)用的有前途的材料。

鈣鈦礦量子點是一類很有前途的半導(dǎo)體納米粒子，近年來因其優(yōu)異的光學(xué)和電子性能而受到廣泛關(guān)注。PQD 具有高光致發(fā)光量子產(chǎn)率、窄發(fā)射帶寬和出色的顏色純度，使其成為傳統(tǒng)量子點的理想替代品。它們還具有用于各種光電器件的潛力，例如 LED、太陽能電池。PQD的發(fā)展具有徹底改變光電子領(lǐng)域的巨大潛力。

最近，研究人員開始研究使用其他類型的納米結(jié)構(gòu)材料，如碳納米管和石墨烯，作為量子點。這些材料具有獨特的電子特性和高度可調(diào)的光致發(fā)光(PL)特性。這種多功能性使它們非常適合用于光電子學(xué)、傳感和儲能等各個領(lǐng)域。由于毒性和環(huán)境影響等問題，正在進行研究，以尋找含重金屬和不含重金屬排放物的替代品。其中一種替代方案是III-V族量子點，特別是InP，它被廣泛用于下一代顯示器的開發(fā)。

在此期間開發(fā)了幾種生長方法，以生長這些適合不同應(yīng)用的納米顆粒。然而，由于這些量子點的形成，不同的應(yīng)用面臨著不同的挑戰(zhàn)或權(quán)衡，例如無機量子點有毒，但對溫度和濕度等外部參數(shù)表現(xiàn)出高度穩(wěn)定性。另一方面，有機量子點是無毒的，但會受到溫度、壓力和濕度的高度影響。在這里，合成過程的成本和復(fù)雜性起著至關(guān)重要的作用，具體取決于應(yīng)用要求。無機量子點的生產(chǎn)成本可能很高，可能需要高溫和高壓才能合成，而有機量子點相對便宜且豐富。

值得一提的是，研究人員正在努力克服量子點的毒性，并試圖找到在各種應(yīng)用中使用它們的新方法。例如，碳量子點在生物傳感應(yīng)用中顯示出很好的生物相容性。在本概述中，我們簡要介紹了量子點的結(jié)構(gòu)、特性、制造和各種應(yīng)用。

2. 量子點的結(jié)構(gòu)

2.1. 量子及其性質(zhì)

原子或分子的緊密排列遵循稱為量子點的量子規(guī)則。在大多數(shù)情況下，量子點由一個由半導(dǎo)體材料制成的磁芯和一個由用作表面鈍化層的單獨材料制成的外殼組成。不同尺寸和形狀的芯和殼是可能的，它們的質(zhì)量可以調(diào)整以適應(yīng)特定的應(yīng)用。例如，球形量子點在光學(xué)和電氣特性上與棒狀或圓盤形量子點不同。量子點的電學(xué)和光學(xué)特性由其核心決定，而其穩(wěn)定性和相互作用則由殼層決定。量子點的結(jié)構(gòu)負責(zé)特定應(yīng)用所需的電氣和光學(xué)特性。

如前所述，量子約束是量子點區(qū)別于其他塊狀材料的特征。研究人員深入研究了量子約束對半導(dǎo)體量子點的影響。當(dāng)量子點遵循量子約束效應(yīng)時，激子的運動被限制在量子化空間內(nèi)，導(dǎo)致量子約束，使量子點具有獨特的光學(xué)和電學(xué)特性。為了實現(xiàn)量子約束，需要滿足玻爾條件。這表明納米顆粒的尺寸必須小于相應(yīng)的激子玻爾半徑。

量子點和塊狀材料之間的主要區(qū)別之一是尺寸相關(guān)的能帶隙。在散裝材料中，帶隙是材料本身的一種特性，不會隨尺寸而變化。然而，在圖2所示的量子點中，帶隙與量子點的大小成反比。量子點的大小很重要，因為它決定了量子約束效應(yīng)的強度。較小的量子點表現(xiàn)出更強的量子約束，并且比較大的量子點具有更高的能級。在生長過程中控制量子點的大小是新器件及其應(yīng)用的進步和創(chuàng)造的重要因素。這種與尺寸相關(guān)的帶隙導(dǎo)致了廣泛的光學(xué)特性，包括可調(diào)諧的吸收和發(fā)射光譜等。

圖2.塊狀材料和量子納米結(jié)構(gòu)中的能帶結(jié)構(gòu)示意圖

例如，CsPbBr₃的帶隙根據(jù)Butkus等人的研究，當(dāng)粒徑從8.5 nm減小到4.1 nm時，量子點從2.3 eV增加到2.5 eV，PL光譜中出現(xiàn)明顯的藍移，如圖3所示。

圖3.CsPbBr的實驗與理論尺寸依賴性帶隙能

2.2. 量子點的光學(xué)特性

由于其小尺寸和量子約束效應(yīng)，量子點表現(xiàn)出獨特的光學(xué)特性。目前，有大量關(guān)于核多殼量子點的研究正在進行中。該結(jié)構(gòu)由許多由各種材料制成的外殼組成，圍繞著由單一材料制成的中心核心。通過選擇不同的材料，可以改變量子點的尺寸和組成，從而產(chǎn)生獨特的光學(xué)和電子特性。這些不同的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了高光致發(fā)光量子產(chǎn)率(PL-QY)。各層為內(nèi)核提供的額外保護增強了量子點的穩(wěn)定性。磁芯通常由具有直接帶隙的材料制成，如硒化鎘(CdSe)，而殼層則由具有不同帶隙的硫化鋅(ZnS)等不同材料制成。這種多殼層設(shè)計具有獨特的光學(xué)特性，例如寬光致發(fā)光和可調(diào)諧，與傳統(tǒng)的單分量量子點相比，穩(wěn)定性更高。

Linkov等提出了一種由CdSe/ZnS/CdS/ZnS組成的核多殼量子點，如圖4所示，作為單個殼層的替代品。與單層殼相比，多層殼有幾個優(yōu)點。例如，通過增加不同數(shù)量的殼層，已經(jīng)實現(xiàn)了量子產(chǎn)率。這些特性使核多殼量子點可用于各種應(yīng)用，例如 LED、太陽能電池和生物成像。

圖4.(a) 核-多殼量子點的結(jié)構(gòu) (b) 不同殼層厚度量子點的光致發(fā)光光譜

量子點的光學(xué)特性是一個重要的研究領(lǐng)域，因為它們與點的大小、形狀、組成和表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。量子點的光學(xué)特性可以通過多種方式進行調(diào)整，因此可以在廣泛的應(yīng)用中作為優(yōu)勢。圖5所示的一個特性是它們寬而連續(xù)的激發(fā)曲線，這意味著它們可以在 530 nm 以下的任何波長下有效激發(fā)。這與羅丹明6 G等有機染料形成鮮明對比，后者的激發(fā)范圍有限，發(fā)射光譜寬。此外，與有機染料相比，量子點具有幾乎對稱且更窄的發(fā)射光譜。這些特性使量子點在廣泛的應(yīng)用中更加通用和高效。

圖5.羅丹明 6 G 和 CdSe 量子點的激發(fā) (a) 和發(fā)射 (b) 曲線

其他量子點，如無機鈣鈦礦量子點(PQD)是近年來因其獨特的光學(xué)性質(zhì)而受到關(guān)注的納米材料。它們具有很高的量子產(chǎn)率，即以光致發(fā)光形式發(fā)射的吸收光子的比例。這一特性使PQD成為高效的光發(fā)射器，對于需要高光輸出的應(yīng)用非常重要。無機鈣鈦礦量子點(PQD)可以表現(xiàn)出大于99%的光致發(fā)光量子產(chǎn)率(PLQY)，而無需通過使用寬禁帶外延殼進行表面鈍化，這與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(如CdSe、CdS或PbS)不同。

為了克服量子點結(jié)構(gòu)特性的局限性，使用了各種組成類型的量子點，包括摻雜量子點。這些量子點含有雜質(zhì)或摻雜劑，通常是金屬或非金屬元素，摻入其核心或殼層結(jié)構(gòu)中，將新的電子態(tài)引入量子點，從而改變其特性，如帶隙、電荷載流子動力學(xué)和發(fā)射波長?？梢宰屑毧刂茡诫s劑，以針對特定應(yīng)用定制量子點的特性。摻雜量子點已被發(fā)現(xiàn)可以通過提高光電器件(如發(fā)光二極管)的效率和穩(wěn)定性來增強其性能。另一類半導(dǎo)體量子點，即合金半導(dǎo)體量子點，由于其獨特的光電特性，已成為一個重要的研究領(lǐng)域。這些量子點由兩種或多種不同尺寸的不同材料組成的單一晶體結(jié)構(gòu)組成。控制這些組成材料的組成和尺寸，以針對特定應(yīng)用修改所得量子點的特性。例如，為了調(diào)整CdSe量子點的發(fā)射，用ZnSe合金化是一種常見的方法，因為僅通過量子約束效應(yīng)來控制它們的發(fā)射具有挑戰(zhàn)性。該方法能夠調(diào)諧帶隙能量，并允許更精確地控制量子點的發(fā)射波長。 合金量子點表現(xiàn)出更高的發(fā)光效率、熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，并降低了對濕度和溫度等外部因素的敏感性。

2.3. 表面鈍化

量子點的表面會顯著影響量子點的電學(xué)和光學(xué)性能，因此表面鈍化對于量子點是必要的。 器件的效率和穩(wěn)定性可能會因表面誘導(dǎo)的缺陷和陷阱狀態(tài)而受到影響，這些缺陷和陷阱狀態(tài)會影響載流子復(fù)合。量子點的大小和形狀也會受到表面的影響。為了解決這些問題，表面鈍化用于“修復(fù)”點的表面。與量子點共價鍵合的不同配體結(jié)構(gòu)的發(fā)展反過來又充當(dāng)保護涂層或封蓋層。此過程提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和有效性。它進一步降低了缺陷和陷阱態(tài)的密度，并有助于保持量子點的尺寸和形狀?？傮w而言，鈍化層必須能夠保護表面免受環(huán)境退化的影響。許多研究調(diào)查了表面鈍化如何影響材料的光學(xué)和電學(xué)特性。通過防止非輻射復(fù)合和最小化缺陷狀態(tài)來提高發(fā)光質(zhì)量。盡管配體有助于確保量子點處于穩(wěn)定相，但在量子點表面有過多的加帽配體可能會使電荷傳輸變得困難，從而影響發(fā)光二極管(LED)的光電特性。鈍化層的選擇對于獲得量子點的高性能和穩(wěn)定性非常重要，高電子遷移率、低表面復(fù)合率和強化學(xué)穩(wěn)定性都是鈍化材料的理想品質(zhì)。目前已經(jīng)提出了幾種不同的方法用于量子點的表面鈍化，包括使用圖6所示的有機配體作為封端劑、無機涂層和自組裝單層。

圖6.有機封頂量子點示意圖

Jung等人報道了使用環(huán)保的電活性金屬硫族化物絡(luò)合配體(Sn₂S₆^4?, Sn₂Se₆^4?,和In₂Se₄^2?).該配體有助于穩(wěn)定甲酸、N、N-二甲基甲酰胺 (DMF)和二甲基亞砜 (DMSO) 等極性溶劑中的量子點。該方法改善了器件的穩(wěn)定性和電荷傳輸。

3. 量子點的合成與表征

量子點的合成和表征是指創(chuàng)建和研究量子點性質(zhì)的過程，合成涉及用于制造量子點的方法，例如膠體合成、化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。表征涉及研究量子點的特性，例如尺寸、形狀、組成和光學(xué)特性。這可以使用透射電子顯微鏡 (TEM)、X 射線衍射 (XRD) 和光譜學(xué)(如吸收、光致發(fā)光和拉曼)等技術(shù)來完成。目的是了解合成條件與所得量子點特性之間的關(guān)系。最后，討論了如何優(yōu)化合成條件，以生產(chǎn)出具有不同應(yīng)用所需特性的高質(zhì)量量子點。

3.1. 膠體合成

膠體合成是生產(chǎn)量子點的一種廣泛使用的方法，高溫版本特別有效。Murray、Norris和Bawendi于1993年首次提出這種化學(xué)技術(shù)來生產(chǎn)量子點。該過程涉及將金屬離子或有機金屬化合物(稱為前體)溶解在溶劑中，然后對其進行各種化學(xué)或物理處理以產(chǎn)生所需的量子點。這種合成方法的主要優(yōu)點是它能夠非常容易地產(chǎn)生不同大小的量子點，使其具有高度可調(diào)。

膠體合成的流行技術(shù)之一是“熱注射法”。在這種情況下，含有適當(dāng)元素的前體溶液被快速注入到熱的高溫反應(yīng)混合物中。因此，前驅(qū)體迅速反應(yīng)生成量子點，量子點迅速冷卻并凝固。通過調(diào)整類型、前驅(qū)體濃度、反應(yīng)時間和合成過程中的溫度，可以控制膠體量子點的大小和組成。這種方法可以高效、快速地大量合成尺寸分布均勻的高質(zhì)量量子點(如圖7所示)。

圖7.膠體量子點，溶液處理合成產(chǎn)生膠體納米晶油墨，具有高度單分散尺寸和形狀的量子點的自組裝導(dǎo)致長程有序超晶格

膠體量子點特別適用于合成無機量子點，如CdSe或CdS和鹵化物鈣鈦礦。Irshad Ahmed等人如圖8所示展示了“熱注射法”與“室溫法”中CdSe QD的合成。值得注意的是，使用HI方法創(chuàng)建的最小量子點的尺寸為2.5 nm。只有 3.3 nm 尺寸的量子點才能使用 RT 方法制造。圖9還研究了合成方案對熒光特性的影響，并與RT方法進行了比較。HI-QDs表現(xiàn)出高光化學(xué)穩(wěn)定性，表明它們在光電器件開發(fā)中具有應(yīng)用潛力。與其他方法相比，這種合成方法具有多項優(yōu)勢，包括精確控制量子點的大小和形狀、高純度和低缺陷密度。該工藝相對簡單，可用于生產(chǎn)各種不同的量子點類型。因此，這種方法近年來被廣泛用于生產(chǎn)用于各種應(yīng)用的高質(zhì)量量子點。

圖8.在強光和紫外(UV)照明下，合成CdSe量子點的兩種方法

圖 9.通過熱注入 (HI) 和室溫 (RT) 合成獲得的量子點樣品的熒光光譜

目前科學(xué)界已經(jīng)產(chǎn)生了大量關(guān)于量子點的數(shù)據(jù)。用于分析這些數(shù)據(jù)、識別模式并準確做出預(yù)測的機器學(xué)習(xí)方法。例如，Krishnadasan等人開發(fā)了一種自主黑盒系統(tǒng)，用于控制微流控反應(yīng)器中CdSe量子點的合成。通過利用全局搜索算法SNOBFIT，他們發(fā)現(xiàn)了最佳的注入速率和反應(yīng)溫度，從而增加了特定波長下的發(fā)射強度。

最近在膠體合成中開發(fā)了新的前體、封端劑和合成技術(shù)，可以精確控制量子點的大小、形狀和組成。例如，使用PEG或DHLA(二硫醇-PEG-二硫醇)作為加成配體，可以產(chǎn)生具有精確尺寸和形狀的極單分散量子點。

水基合成是合成穩(wěn)定膠體量子點的經(jīng)濟高效且環(huán)保的方法之一。該方法涉及基于溶液的化學(xué)反應(yīng)，使用前體溶液和堿來觸發(fā)膠體溶液中量子點的成核和生長，而無需使用有毒溶劑或高溫。Reza Sahraei開發(fā)了一種生長摻雜策略，用于一鍋法合成水溶性雙摻雜Ag，Ni：ZnCdS/ZnS核殼量子點，這是一種新穎的方法。

3.2. 水熱合成

水熱法是一種簡單、低成本的量子點制備方法，對尺寸和形狀有很好的控制。在該方法中，將含有金屬離子和配體的前體溶液置于密封容器中，并在水浴中高壓加熱。隨著溫度和壓力的增加，溶液變得過飽和，因此量子點發(fā)生成核。量子點的大小和形狀可以通過改變反應(yīng)參數(shù)(如溫度、壓力和反應(yīng)時間)來控制。水熱合成的優(yōu)點之一是，與高溫爐或分子束外延等其他方法相比，它允許在相對較低的溫度下合成量子點。水熱合成是一種合成量子點的方法，其中前體溶液在密封容器(通常是高壓釜)中在高溫高壓下加熱。

Zhu等人提出了一種簡單的水熱法來生產(chǎn)均勻、單分散的 SnO₂在他們的研究中具有較窄直徑范圍(2.3 至 3.1 nm)的量子點。這里描述的水熱技術(shù)的關(guān)鍵是使用水合肼，或N₂H₄H₂O，它既是堿又是配體，與Sn離子配位并形成復(fù)雜的團簇。

Wei-haiYang等報道，水熱法為制備高質(zhì)量的半胱胺穩(wěn)定的CdTe量子點提供了一種簡單的方法，在理想條件下，其量子產(chǎn)率(QY)可以達到19.7%。生長速率比在220°C下生長20 min的CdTe量子點的水方法快。在此期間，吸光度峰從490 nm變?yōu)?40 nm，如圖10所示，平均粒徑從2 nm變?yōu)? nm。

圖 10.覆蓋有CA帽的碲化鎘量子點的吸收和光致發(fā)光光譜隨時間的變化

水熱合成允許合成量子點，例如摻雜在氮氣形成NCQDs中的碳量子點(CQD)。這已被成功證明是一種良好的顯像劑，對某些應(yīng)用(如生物成像)有益。由于其簡單的操作條件，如低能量需求和廉價的設(shè)備，水熱合成被認為是最容易獲得的方法。這種合成方法的基本原理圖如圖11所示。

圖 11.水熱處理法合成氮摻雜碳量子點(N-CQDs)示意圖

然而，使用這種合成技術(shù)制備的CQD通常具有低于10%的較差熒光量子產(chǎn)率(QY)。氮摻雜已被證明是提高這些質(zhì)量以抵消這種影響的成功方法。氮摻雜CQDs(N-CQDs)可以保留CQDs的眾多優(yōu)點，但它們也可以克服這一缺點。此外，用于制造N-CQD的碳源對其QY和光學(xué)性能有重大影響。從圖12可以看出，N-CQDs的熒光發(fā)射強度強于相同濃度的CQDs溶液。Peng wu利用水熱法合成了N-CQDs，結(jié)果表明，這些N-CQDs已被證明是檢測的有效熒光探針強酸性環(huán)境中的離子。這是由于其卓越的熒光發(fā)射特性，從而具有良好的選擇性和對Fe3+的敏感性離子。

圖12.(a) 在360 nm處輻照的NCQDs和CQDs的紫外-可見吸收光譜(b) NCQDs和CQDs在360 nm處激發(fā)的熒光發(fā)射光譜

水熱合成也幾乎沒有局限性。所需的高壓和高溫條件可能難以控制，這使得獲得高度均勻和單分散的量子點變得困難。水熱法相對具有成本效益，因為它只需要少量前驅(qū)體材料、高壓釜和烘箱，而回流方法通常需要舒?zhèn)惪司€和無氧介質(zhì)，在合成過程中需要多次前驅(qū)體進樣。

量子點水熱合成的一些最新進展包括開發(fā)新的前體和表面活性劑，可用于改善量子點的大小和形狀控制。此外，研究人員一直在探索使用替代溶劑，如離子液體和超臨界流體，這可以提高前驅(qū)體的溶解度并更好地控制反應(yīng)條件，并且可以產(chǎn)生高質(zhì)量和均勻的量子點，并且具有較窄的尺寸分布。

3.3. 仿生合成

量子點的仿生合成是指利用生物材料合成量子點的過程。在這個過程中，量子點的生長和自組裝是基于生物系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的機制和原理來模擬的。與傳統(tǒng)的合成方法相比，在量子點生長中使用仿生技術(shù)有幾個優(yōu)點。在這些常規(guī)合成過程中，經(jīng)常需要高溫、刺激性化學(xué)品和高壓來生長量子點。在這些情況下，可能會出現(xiàn)大尺寸和分布不均勻，以及缺陷和雜質(zhì)。這會對量子點的光學(xué)和電氣性能產(chǎn)生影響。然而，“綠色”仿生礦化技術(shù)的發(fā)展使(II-VI、IV-VI和I-VI)量子點的生產(chǎn)變得更加簡單。使用酶、蛋白質(zhì)或微生物作為催化劑有助于減少刺激性化學(xué)品和高溫的使用，使合成過程更加環(huán)保和生物相容性。此外，使用蛋白質(zhì)、酶和 DNA 等生物分子來穩(wěn)定量子點并控制其大小、形狀和表面特性。這些生物分子有助于減少缺陷的形成并防止量子點聚集，確保它們保持良好的分散和穩(wěn)定。合成過程通常涉及將QD形成的前體引入含有穩(wěn)定生物分子和生物模板的反應(yīng)介質(zhì)中。然后將反應(yīng)介質(zhì)置于特定條件(如溫度、pH 值和時間)下，以使量子點生長。然后將所得量子點從反應(yīng)介質(zhì)中分離出來，必要時進行純化?？傮w而言，仿生合成是生產(chǎn)高質(zhì)量量子點的重要方法，可用于光電子、能源、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

Li等發(fā)現(xiàn)了一種簡單、一鍋、環(huán)保的方法，以溶菌酶(Lyz)和牛血清白蛋白(BSA)為生物模板，制備CdSe量子點。然后用已產(chǎn)生的 BSA 功能化 CdSe QD 標(biāo)記細菌細胞。并確定溶菌酶的生物活性在CdSe形成后持續(xù)存在，這對于制造具有生物學(xué)功能的熒光納米探針至關(guān)重要。

Arriaza等在圖13中展示了一種合成CIS(CuInS₂)量子點，這被證明是一種綠色化學(xué)方法，在化學(xué)過程中保留了一些生物學(xué)特性。CIS納米顆粒是眾多技術(shù)應(yīng)用的首選，包括太陽能電池和生物醫(yī)學(xué)。

圖 13.CIS QDs的合成和表征概述

3.4. 其他合成工藝

快速簡便的合成技術(shù)對于科學(xué)家在短時間內(nèi)進行更精確的實驗，同時最大限度地減少向環(huán)境中釋放的熱量至關(guān)重要。微波輔助合成提供了一種快速簡便的替代能源，由于其對材料加熱的控制而被廣泛使用。該方法已被證明對量子點制備有效，多項研究證實了其可行性和潛力。量子點前驅(qū)體溶解在溶劑中，在反應(yīng)器中用微波輻照，形成粒徑分布窄、結(jié)晶度高的量子點。與傳統(tǒng)合成方法相比，微波輔助合成具有許多優(yōu)點，包括更短的反應(yīng)時間、更低的能耗和更高的產(chǎn)品收率。 它還提供對量子點尺寸和形狀的精確控制，這對許多應(yīng)用至關(guān)重要。

4.量子點的最新應(yīng)用

電子學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)和生物科學(xué)只是圖14所示的幾個領(lǐng)域，量子點因其獨特的特性而可以使用。量子點的可配置特性，包括它們的大小、形狀、材料和配體選擇，是導(dǎo)致它們表現(xiàn)出這種變化的原因。持續(xù)時間、溫度和合成過程都可以精確調(diào)整，以控制這些不同的特性。本文的這一部分將探討在各行各業(yè)引起極大興趣的量子點應(yīng)用。

圖 14.量子點的應(yīng)用

4.1. 存儲器中的量子點

量子點具有高電子遷移率和大帶隙。這使得它們可用于高性能電子設(shè)備，如神經(jīng)形態(tài)計算硬件設(shè)備、浮柵電容存儲器結(jié)構(gòu)等此外，半導(dǎo)體量子點由于與基于CMOS的解決方案處理方法兼容，已成為光子應(yīng)用非常理想的候選材料。這些器件具有優(yōu)異的光吸收系數(shù)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠以低成本、大面積覆蓋進行大批量生產(chǎn)。Jeong等在低強度光下創(chuàng)建了CdSe QD浮柵的快速光誘導(dǎo)恢復(fù)，如圖16所示。

Mondal等人進行的研究顯示了雙端子、全無機、旋涂Al/ALPO/CdTe：ALPO(4：1)ALPO/有源層硅電容存儲器系統(tǒng)，使用CdTe-NP進行電荷存儲，ALPO作為電介質(zhì)。面板系統(tǒng)(SOP)可用于這些結(jié)構(gòu)。最大存儲器窗口可以從圖15所示的遲滯寬度獲得。

圖15.(a)不同直流偏置掃描范圍下250KHz的CV曲線;(b)不同頻率下CV曲線

無機鈣鈦礦量子點因其獨特的電學(xué)和光學(xué)特性而被探索為電阻式隨機存取存儲器 (RRAM) 存儲器件的材料。RRAM在數(shù)據(jù)存儲、邏輯運算和神經(jīng)形態(tài)器件方面具有廣闊的前景。它具有出色的可擴展性、簡單的 (MIM) 金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)、長數(shù)據(jù)保留、廉價制造和納秒級速度等優(yōu)點，為提高內(nèi)存提供了許多前景。加入量子點還可以使存儲單元更小，這對于創(chuàng)建高密度存儲設(shè)備至關(guān)重要。RRAM器件是通過將這些QD整合到器件的有源層中而制成的。在RRAM中，存儲單元的電阻可以通過施加電場在高電阻狀態(tài)和低電阻狀態(tài)之間切換。由于使用了無機鈣鈦礦量子點，RRAM器件具有更高的器件性能、更好的內(nèi)存保留和更少的泄漏電流。

圖 16.摻入CdSe量子點的OFET示意圖

另一種正在積極研究的存儲器件是基于量子點的憶阻器。近年來，在憶阻器器件中使用量子點作為有源元件的想法越來越受歡迎，其優(yōu)點是提供更高的tunaility，能夠與電子設(shè)備集成和低功耗。憶阻器是一種非易失性存儲器件，可以根據(jù)材料的電阻存儲信息。A ZnO/CsPbBr₃基于量子點的憶阻器，具有高開/關(guān)比 (>105)和低工作電壓(1 V)由Wu等證明。使用幾種量子點類型的憶阻器，包括有機量子點、金屬氧化物量子點和無機鈣鈦礦量子點，已經(jīng)取得了進展，并增強了器件的穩(wěn)定性?；诹孔狱c的憶阻器的發(fā)展仍然面臨一些困難和制約，例如需要可靠和有效的制造工藝，開發(fā)環(huán)保的鉛無機鈣鈦礦以及調(diào)節(jié)量子點的尺寸和組成的困難。

4.2. 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

基于量子點的納米材料已被證明是非生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用(如顯示器和其他應(yīng)用)的競爭者。但是，在考慮此應(yīng)用程序時需要做出適當(dāng)?shù)倪x擇。生物系統(tǒng)存在一些有害影響和相容性問題。與有機染料相比，使用有毒材料、成本高和尺寸大得多是基于量子點的檢測技術(shù)的一些缺點。量子點的性質(zhì)可能受到其毒性的影響。鎘、鉛或鋅等重金屬對人體和環(huán)境都有害。如果量子點沒有正確封裝或被分解，這些重金屬可能會被釋放出來并有害。如果量子點被降解或其化學(xué)成分因毒性而改變，它們的光學(xué)性質(zhì)(如吸收和發(fā)射光譜、量子產(chǎn)率和光致發(fā)光壽命)可能會發(fā)生變化。合成中使用的溶劑類型、納米顆粒涂層，特別是生長量子點所需的金屬都與毒性有關(guān)。這些限制可能會阻礙使用基于量子點的生物測定法來取代成熟的基于染料的檢測。例如，實體瘤可能只能獲得注射納米顆粒劑量的0.7%，這是不令人滿意的。因此，這類量子點在治療和診斷中的使用受到限制。此外，許多因素導(dǎo)致納米材料在生物應(yīng)用中的使用受到限制。其中之一可以指出是缺乏對納米生物相互作用的深入了解。獲得有關(guān)生物系統(tǒng)復(fù)雜性的知識并將其轉(zhuǎn)化為納米參數(shù)是一個重要因素。因此，準確調(diào)整這些特性對于納米材料的成功應(yīng)用非常重要，特別是在生物系統(tǒng)中的量子點。如圖17所示，通過流程圖演示了此類量子點的處理。

圖 17.用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的量子點的處理流程

量子點在生物領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用，包括成像、生物傳感和治療。對于細胞染色、動物成像和腫瘤生物學(xué)研究，通常使用QD進行多色成像。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，基于熒光的檢測方法是合適的。對于熒光檢測方法，量子點的熒光壽命、光化學(xué)穩(wěn)定性、熒光量子產(chǎn)率和發(fā)射各向異性等特性，使檢測具有高分辨率(納米級)和高靈敏度，可低至單分子水平。使用QD標(biāo)記的DNA探針和抗體分子可以特異性檢測核酸和蛋白質(zhì)。量子點被廣泛用于生物技術(shù)和醫(yī)療行業(yè)，作為有機染料和熒光染料的替代品。它們還被用于創(chuàng)建下一代生物標(biāo)記，這有助于克服傳統(tǒng)有機染料和其他熒光團的缺點。例如，CQD在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也特別有吸引力，因為它們在動物身上沒有任何毒性的外在指標(biāo)，可用于體內(nèi)研究。Xinglu等進行了一項這樣的研究，如圖18(a)所示，將CQD口服給小鼠，然后在4周后進行檢查。確定他們的內(nèi)臟器官和過程很少受到影響?？咕钚允橇孔狱c最具吸引力的應(yīng)用之一。由于量子點在暴露于光時產(chǎn)生活性氧 (ROS) 的能力，這可能導(dǎo)致對細菌細胞的氧化損傷，如圖18(b) 所示。量子點是預(yù)防細菌感染的一種有前途的方法，因為這可能導(dǎo)致細胞死亡或生長抑制。大多數(shù)關(guān)于量子點抗菌作用的早期研究都使用鎘基(Cd)量子點，這些量子點對生物系統(tǒng)有害，并通過實際釋放游離鎘導(dǎo)致時間依賴性細胞死亡2+離子，即使鎘物質(zhì)被無毒的外殼覆蓋，也具有劇毒。除了抗菌效果外，量子點與傳統(tǒng)抗菌劑相比還有其他好處。由于它們的表面積與體積比大，它們可以更有效地靶向細菌細胞。與傳統(tǒng)抗生素相比，它們更穩(wěn)定，保質(zhì)期更長，更易于儲存和運輸。ZnO等納米粒子因其高激子結(jié)合能(60 meV)和寬禁帶能(3.37 eV)而受到廣泛關(guān)注。此外，在正常光照條件下，它對不同的微生物也具有多種抗菌作用，紫外光照射的活化增加了其抗菌活性。

圖 18.(a) 使用近紅外 (NIR) 熒光在不同時間點(包括注射后 2、4、6 和 24 小時)捕獲的 SCC-7 荷瘤小鼠圖像。該研究包括未注射的對照組，以及靜脈注射 (IV)、皮下注射 (SC) 和肌肉注射 (IM) 的組。這些圖像用白色箭頭表示腫瘤的存在，用紅色箭頭表示腎臟的存在。(b) 量子點的抗菌活性：ROS物種的形成

4.3. 光電器件

量子發(fā)光二極管 (QD-LED) 是一種利用量子點作為發(fā)光層中的活性材料的 LED。與傳統(tǒng) LED 相比，QD-LED 的主要優(yōu)勢在于 QD 可以設(shè)計為發(fā)射特定波長的光，從而實現(xiàn)更精確的色彩調(diào)整和更高的效率。此外，QLED使用量子點發(fā)光，與傳統(tǒng)LED相比，這導(dǎo)致了更寬的色域，并產(chǎn)生更明亮、更強烈的光。這使它們成為大型顯示器和高分辨率應(yīng)用的理想選擇。因此，QD-LED被用于顯示技術(shù)，具有較高的顯示性能和較低的制造成本?；贗nP的量子點正在成為顯示器應(yīng)用中發(fā)光的有利且環(huán)保的選擇。Haiyang Li等開發(fā)了一種簡單有效的方法來創(chuàng)建InP/ZnSe/ZnS核/殼/殼量子點，如圖19所示，PL-QY接近100%。與使用氫氟酸生產(chǎn)的量子點相比，這些量子點具有更窄的發(fā)射線寬度和更高的熱穩(wěn)定性。

圖 19.QLED的示意圖和QLED的橫截面TEM圖像

過去30年來，外延工藝的進步在半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域取得了重大突破。由于在工作躍遷的能量下快速填充電荷載流子，量子約束降低了透明電流。注入載流子較少的群體反轉(zhuǎn)會導(dǎo)致光學(xué)增益，而光學(xué)增益取決于注入電流。由于高度約束，電子波和空穴波函數(shù)之間的大量重疊增加了躍遷的振蕩器強度。隨著量子點物理尺寸的減小，預(yù)計增益會增加。此外，與量子阱 (QW) 設(shè)備相比。啁啾系數(shù)和線寬增強系數(shù)等基本參數(shù)，它們在不同激光器中充當(dāng)性能指標(biāo)。在量子點激光器的情況下，這些因素要小得多。這是因為與QW和本體等效器件相比，量子點具有更對稱的增益函數(shù)。量子激光器具有出色的溫度穩(wěn)定性，使其能夠在更高的溫度下以更低的功耗運行。它可以進一步優(yōu)化，然后進行適當(dāng)?shù)脑O(shè)備設(shè)計。在量子激光器中引入p型摻雜顯著提高了熱穩(wěn)定性。通過摻雜p型材料，可以減少對量子點形狀和尺寸的精確控制。由于摻入了p型摻雜劑，在300 K時，閾值(透明電流)降低了65%，這也顯示出非輻射復(fù)合的輕微增加和模態(tài)增益的增加，作為透明點的函數(shù)。增加增益的另一種有趣方法是施加應(yīng)變。通常，應(yīng)變是由半導(dǎo)體層的假晶生長結(jié)合的。晶格略微不匹配的半導(dǎo)體層相互生長以實現(xiàn)應(yīng)變。從理論上講，硅、砷化鎵等常見半導(dǎo)體可以實現(xiàn)的最大應(yīng)變約為4%。目前正在積極研究應(yīng)變對二維材料和量子點光電性能的影響。

高效的螺旋復(fù)合過程本質(zhì)上是非輻射的，并導(dǎo)致聲子的發(fā)射。螺旋鉆復(fù)合過程導(dǎo)致系統(tǒng)能量損失并降低激光器或 LED 的效率(這種現(xiàn)象也稱為下垂)。這發(fā)生在高驅(qū)動電流下，這對實現(xiàn)激光提出了重大挑戰(zhàn)。如圖20所示，給出了具有不同類型量子點的 QD-LED 的外部量子效率 (EQE) 與電流密度的關(guān)系。EQE在電流密度(J = 10 mA cm²)，無論LED中使用的量子點類型如何，此后在較大的電流下，量子點會穩(wěn)步下降。高載流子密度和小點尺寸會引起顯著的俄歇復(fù)合，從而降低閾值電流密度和激光效率。已經(jīng)采用了多種技術(shù)來抵消這種效應(yīng)，包括改善點的大小和組成，降低缺陷的密度，以及使用幾個不同大小的量子點。建議使用更好的光反饋結(jié)構(gòu)和定制的光波導(dǎo)來改善激光。Wang等通過在器件中加入微腔結(jié)構(gòu)，提出了一種具有高EQE的QLED，如圖21所示。

圖 20.EQE與具有不同類型QD的QD-LED的電流密度

圖 21.(a) QLED器件結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 器械的橫截面SEM圖像

最近的進展表明，量子點甚至用于超快激光器，因為量子點提供寬光增益帶寬。超快量子點激光器 (UQDL)，如圖22所示的鎖模量子點激光器。這種類型的激光器利用量子點(QD)作為活性介質(zhì)。它們的特點是具有超快的時間響應(yīng)，這意味著它們可以產(chǎn)生皮秒或飛秒量級的極短光脈沖。UQDL的制備具有挑戰(zhàn)性，需要先進的技術(shù)，如膠體合成、氣相生長和分子束外延。鎖模QDL的主要優(yōu)點是能夠產(chǎn)生超快的光脈沖，這使得它們在光譜學(xué)、傳感和電信等廣泛應(yīng)用中非常有用。

圖 22.分度引導(dǎo)、兩段式鎖模 QD 激光器

QD LED (QLED) 的重要特性之一是貨架穩(wěn)定性。QD-LED的貨架穩(wěn)定性是其商業(yè)化的關(guān)鍵方面。它表明 LED 在存儲過程中保持其有效性和質(zhì)量的能力。對于基于量子點的 LED，貨架穩(wěn)定性受許多因素的影響，例如活性層中使用的材料類型、尺寸、形狀、成分和封裝方法。通過將量子點封裝在聚合物涂層或玻璃等保護層中可以提高貨架穩(wěn)定性，因為量子點降解的主要原因之一是它們暴露在空氣和濕氣中。封裝可以防止暴露在空氣和濕氣中，提高貨架穩(wěn)定性。由于材料降解、表面氧化和熔融，在QLED中實現(xiàn)貨架穩(wěn)定性具有挑戰(zhàn)性。Ye等誘導(dǎo)了圖23所示的雙層結(jié)構(gòu)，以增加貨架穩(wěn)定性?；趕-ZnO的器件的性能會改變貨架存儲時間的功能。通過降低閾值電壓從 1.8 V 到 1.7 V， EQE從圖24所示的 10.3%(剛反應(yīng)完時)上升到 14.9%(第 7 天)。

圖 23.QLED采用SnO₂-ZnO雙層ETL器件結(jié)構(gòu)

圖 24.QLED的EQEmax，Vth，(a)s-ZnO或(b)SnO₂/s-ZnO作為ETL

在制造過程中，還可以通過防止(QDs)和電子傳輸層(ETL)的發(fā)光特性失活來實現(xiàn)貨架穩(wěn)定性。這是通過阻斷導(dǎo)致量子點和ETL之間激子(激發(fā)態(tài)粒子)丟失的途徑來實現(xiàn)的。

基于量子點聚合物的器件也是一個積極研究的主題。Colvin等展示了混合電致發(fā)光(EL)器件?？昭▊鬏攲?HTL)由旋涂聚(亞苯基乙烯)制成，陽極和陰極分別由氧化銦錫(ITO)和鎂制成。導(dǎo)通電壓為 4.0 V，而 EQE 范圍在 0.00 到 0.01 之間。使用直徑為5 nm的單分散PbSe Qdot實現(xiàn)EL器件的近紅外發(fā)射。

最近開發(fā)的新型材料，例如具有改進的光學(xué)性能和環(huán)保的鈣鈦礦量子點。已經(jīng)開發(fā)了量子效率為20%的綠色鈣鈦礦發(fā)光二極管(PeLED)。在紅光鈣鈦礦LED(PeLED)或紅光QD LED技術(shù)方面進展較少。制造紅色 QD LED 困難的原因有很多。主要挑戰(zhàn)之一與量子點的大小有關(guān)。很難合成和穩(wěn)定具有良好結(jié)晶質(zhì)量、高熒光效率和抗環(huán)境降解穩(wěn)定性等所需特性的大型紅發(fā)光量子點。紅光量子點通常需要特定的成分，而這種成分可能難以實現(xiàn)和維護。

Amandeep Singh Pannu等最近開發(fā)了一種革命性的方法，利用生物廢物(由人發(fā)產(chǎn)生的低成本碳點)來提高發(fā)光顯示系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。他們還利用發(fā)光的二維聚苯乙烯磺酸鉀(PSK)作為發(fā)光的活性層，然后用發(fā)光的紅色碳點(CD)穩(wěn)定，如圖25所示。通過使用CD-PSK復(fù)合膜作為紅光LED的活性層，他們表現(xiàn)出高操作穩(wěn)定性和比PSK薄膜更高的性能。提高最大發(fā)光率 (3011 cd m2)、電荷密度 (330 mA cm2)、運行穩(wěn)定性(8 h)、卓越的EQE(10.2%)和2.6 V的低導(dǎo)通電壓均由該層顯示。這些PeLED效率高，在高頻調(diào)制下具有快速發(fā)射能力，非常適合用作可見光通信(VLC)中的光源。然而，這些鈣鈦礦納米晶體在暴露于水和陽光下時可能不穩(wěn)定。為了增強其穩(wěn)定性，表面涂層是一種可以有效將納米晶體與水、氧和熱隔離的方法。Li等提出了一種合成CsPbBr的簡單策略。Cs₄PbBr₆NCs通過在室溫下在空氣中誘導(dǎo)四辛基溴化銨(TOAB)配體。這種策略鈍化了缺陷，導(dǎo)致PL-QY的增加。此外，納米晶體表面的第二層二氧化硅涂層增加了它們在水、熱和極性溶劑存在下的穩(wěn)定性。這些涂層納米晶體可用于VLC，并實現(xiàn)Mbps的傳輸速率。Mo等提出了一種制備CsPbBr₃@ZrO的簡單方法嵌入ZrO₂中的納米晶體2層。這個過程可以在室溫下在空氣中進行，只需20秒即可完成。所得納米晶體在熱和濕氣存在下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

圖 25.夾在PSK層之間的PSK和CD示意圖

白光 LED (WLED) 因其能源效率高、使用壽命長和對環(huán)境影響小而越來越受歡迎。它們是通過將藍色或紫外線 LED 與熒光粉材料相結(jié)合而制成的，熒光粉材料吸收一些藍色或紫外線，并在光譜的黃色或紅色部分發(fā)光，從而產(chǎn)生白光。PQD已被探索為白光LED的熒光粉材料，其CsPbBr₃Guan等采用一步法室溫合成策略涂覆量子點，這些量子點在氧氣、水分和熱氣下保持穩(wěn)定，所得WLED表現(xiàn)出優(yōu)異的發(fā)光性能，顯色指數(shù)(CRI)為91，高于大多數(shù)缺乏紅光和綠光成分的傳統(tǒng)WLED，導(dǎo)致CRI低(<80)QD-WLED可以產(chǎn)生更自然的光線，類似于自然陽光，使其適用于室內(nèi)照明、攝影和廣色域顯示器。

4.4. 在顏色轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

量子點在顏色轉(zhuǎn)換方面具有廣泛的應(yīng)用，從改進顯示技術(shù)開始。QD在背光中被大量使用，以改善LCD顯示器的色域。在傳統(tǒng)的LCD顯示器中，白色背光用于照亮顯示面板，彩色濾光片用于創(chuàng)建圖像的不同顏色。然而，這種方法有局限性，例如色域窄和色彩準確性差。QD可用于通過將背光的藍光轉(zhuǎn)換為更廣泛的顏色范圍來改善LCD顯示器的色域。當(dāng)藍光照射在量子點上時，它們會發(fā)出特定波長的光，該波長由其大小和成分決定。通過改變量子點的大小和組成，它們可以發(fā)出不同波長的光，覆蓋更廣泛的顏色。在傳統(tǒng)的LCD顯示器中，白色背光用于照亮顯示面板，彩色濾光片用于創(chuàng)建圖像的不同顏色。然而，這種方法有局限性，例如色域窄和色彩準確性差。QD可用于通過將背光的藍光轉(zhuǎn)換為更廣泛的顏色范圍來改善LCD顯示器的色域。為了在背光中使用量子點，在藍色 LED 背光的頂部放置了一層量子點。當(dāng) LED 背光源發(fā)出的藍光照射到量子點上時，它們會發(fā)出特定波長的光，從而產(chǎn)生比傳統(tǒng)白光 LED 背光源更廣泛的顏色范圍。這導(dǎo)致顯示器具有更寬的色域和更好的色彩準確性，如圖26所示。

圖 26.(A)藍光LED和WLED與獨立彩色轉(zhuǎn)換膜的混合光譜，以及(B)由兩個確定的綠光和紅光發(fā)射NC制成的發(fā)光NC和WLED的數(shù)字圖像

4.5. 量子密碼學(xué)

量子點在密碼學(xué)中具有潛在的應(yīng)用，特別是在量子密鑰分發(fā)(QKD)領(lǐng)域。QKD是一種利用量子力學(xué)原理在雙方之間安全分發(fā)密鑰的方法。此外，量子點已被提議作為用于QKD系統(tǒng)的單光子的可能來源。由于其獨特的光學(xué)特性，如高亮度、窄帶寬和長相干時間?；诎雽?dǎo)體的量子發(fā)射器是一種非常有前途的解決方案，可以按需產(chǎn)生具有近乎完美保真度的糾纏光子。低水平的多光子發(fā)射是QKD的重要要求。QKD 系統(tǒng)的通用架構(gòu)通常由一個量子源組成，該量子源生成用于傳輸密鑰的量子信號。這些信號通過通道傳輸，通道可以是光纖或自由空間。在接收端，量子信號被檢測和處理，以使用探測器提取關(guān)鍵信息。量子密鑰分發(fā)的一般架構(gòu)如圖27所示。整個系統(tǒng)的主要組成部分是密鑰管理，負責(zé)分發(fā)密鑰并確保安全存儲。篩選關(guān)鍵速率是需要控制的重要因素之一。篩選密鑰速率是衡量雙方之間通過通信信道生成安全密鑰位的速率，同時確保傳輸信息的安全性不受任何第三方的損害。還有一個很好的g₍₂₎(0)值對于單光子源是可取的，因為它表示發(fā)射光子的非經(jīng)典行為程度。BD₍₂₎(0) 值為 0 表示完美的反聚束行為，這意味著光子一次發(fā)射一個，沒有多個光子同時發(fā)射。越接近 g₍₂₎(0)值為0，單光子源質(zhì)量越好。

圖 27.量子密鑰分發(fā) (QKD) 的一般體系結(jié)構(gòu)

Heindel等首次展示了在40 cm距離上自由空間量子密鑰分發(fā)(QKD)的物理實驗。他們使用了在紅色和近紅外光譜中發(fā)射的高效單光子量子點源。信息被編碼成單光子，通信的安全性基于量子力學(xué)定律。紅外發(fā)光器件可以通過提供單光子源來影響篩選的密鑰速率。發(fā)射的單光子的質(zhì)量，如其純度、相干性和不可區(qū)分性，會直接影響量子密鑰分發(fā)協(xié)議的效率。此外，器件的光子發(fā)射率和光譜特性也可以在確定篩選關(guān)鍵速率方面發(fā)揮作用。因此，紅外發(fā)光器件的性能，包括其g₍₂₎(0)值和量子誤碼率，會影響從系統(tǒng)獲得的篩選密鑰速率的整體質(zhì)量。紅外發(fā)光器件的篩選密鑰速率為27.2 kbit s^?1量子誤碼率為 3.9%，且 g₍₂₎(0)中等激發(fā)時值為0.35。在較高激勵下，篩選出的密鑰速率為35.4 kbit s^?1量子誤碼率為 3.8%，且 g₍₂₎(0) 值為 0.49。紅色發(fā)光二極管的篩選密鑰速率為95.0 kbit s^?1量子誤碼率為 4.1%，且 g₍₂₎(0) 值為 0.49。F Basso Basset等也進行了類似的研究，但在250 m的自由空間距離上，他們設(shè)法共享一個34.589 kB長的密鑰字符串，依賴于60位s^?1.由嵌入 Al 基質(zhì)中的 GaAs 制成的單個 QD (QD) 產(chǎn)生的光子的原始密鑰速率Al_0.4Ga_0.6As。量子點是使用一種稱為鋁液滴蝕刻的技術(shù)創(chuàng)建的。此外，量子點已被用于創(chuàng)建一種稱為量子密碼系統(tǒng)(QDC)的新型加密設(shè)備，該設(shè)備基于量子點的獨特光學(xué)特性和量子力學(xué)原理。這些系統(tǒng)利用量子點的特性來創(chuàng)建一個高度安全的加密系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以抵抗來自經(jīng)典計算機和量子計算機的攻擊。

4.6. 基于量子點的自旋電子學(xué)

自旋電子學(xué)最近作為未來電子學(xué)的一個有前途的領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，因為它有可能提高傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的性能并降低能耗。基于量子點的自旋電子學(xué)的目標(biāo)是利用量子點中電子的自旋自由度來創(chuàng)建新型電氣器件。電子的自旋具有兩個可以想象的“向上”或“向下”值，可以被認為是其固有的角動量。自旋電子學(xué)的目的是通過利用電荷和自旋自由度來開發(fā)新的、更有效的電氣器件。自旋電子學(xué)有望提供許多優(yōu)勢，包括非易失性數(shù)據(jù)存儲、更快、更節(jié)能的數(shù)據(jù)處理、更高的數(shù)據(jù)密度等等。有效的自旋極化產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)移、操縱和檢測是充分發(fā)揮潛力的必要條件。這些要求都與材料特性密切相關(guān)，正如我們所知，量子點可以通過使用靜電來限制由于量子約束而產(chǎn)生的電荷，因此可以控制約束電位，甚至可以利用點的獨特電子和光學(xué)特性，例如它們的強庫侖相互作用、高可調(diào)性和快速開關(guān)時間。自旋電子學(xué)不同于傳統(tǒng)電子學(xué)。自旋電子學(xué)基于操縱電子自旋以及電荷的原理。電子既有電荷又有自旋。在自旋電子學(xué)中，電子的自旋用于存儲和處理信息。與僅使用電子電荷來存儲和處理信息的傳統(tǒng)電子學(xué)不同，自旋電子學(xué)有可能提供更多的功能和更高的數(shù)據(jù)存儲容量。這導(dǎo)致了基于自旋的量子計算和新型自旋電子器件的發(fā)展，如自旋偏振發(fā)光二極管、自旋場效應(yīng)晶體管和自旋濾波器。M droth等討論了各種石墨烯量子點及其相關(guān)的自旋弛豫時間。

5. 挑戰(zhàn)與未來展望

在量子點廣泛應(yīng)用于商業(yè)應(yīng)用之前，量子點在開發(fā)過程中需要解決許多問題。一個重要的問題在于合成具有穩(wěn)定光學(xué)特性的均勻、高質(zhì)量的量子點。量子點可能會在不適當(dāng)?shù)暮铣汕闆r下(例如高溫和高壓)結(jié)合并產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物。這會影響它們的穩(wěn)定性和光學(xué)質(zhì)量。微波輔助合成的發(fā)展，可以顯著縮短合成時間，提高量子點的收率。使用雜化有機-無機合成結(jié)合了有機和無機前體，可以產(chǎn)生高度單分散和可調(diào)的量子點。膠體量子點的出現(xiàn)，可以在溫和的條件下在溶液中制造和加工，使大面積制造成為可能，并將量子點的應(yīng)用范圍擴大到消費電子和光伏等市場。目前的合成技術(shù)大多基于批處理工藝，既費時又昂貴。另一個關(guān)鍵問題是毒性。由鎘等重金屬生長的量子點是有毒的，會帶來重大的健康問題，并對環(huán)境產(chǎn)生不良影響。這限制了它們在生物和醫(yī)學(xué)成像中的使用。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究人員正在探索替代材料和合成方法，以生產(chǎn)具有相似或更好特性的無毒量子點。為了減輕傳統(tǒng)量子點的潛在毒性，一種有效的方法是使用生物相容性配體或聚合物修飾其核殼結(jié)構(gòu)。這有助于減少毒性的負面影響。傳統(tǒng)的基于 Cd 的量子點可能對細胞有害，因為它們具有毒性和導(dǎo)致 DNA 損傷的能力。然而，這種毒性可以通過在核心量子點的表面涂上由聚合物制成的保護涂層來減輕。這種涂層用于防止重金屬離子從量子點內(nèi)部釋放，從而提高其穩(wěn)定性并降低其毒性。雖然碳基量子點因其在生物成像中的潛在用途而受到關(guān)注，但一個主要障礙是創(chuàng)建可以在長波長范圍內(nèi)發(fā)射并與各種成像模式一起使用的 CQD。為了解決這個問題，研究人員使用水熱方法開發(fā)了鉍和釓共摻雜的CQDs(Bi，Gd-CQDs)。這些Bi，Gd-CQD能夠產(chǎn)生多種顏色的熒光，使其適用于細胞成像。在實際應(yīng)用中使用量子點之前，有必要解決與各種材料的兼容性問題。此外，人們一直在努力提高量子點的光學(xué)和電子性能。

在QD-LED中，重要的特性是EQE，如上所述，由于下垂現(xiàn)象，EQE通常會降低。為了解決發(fā)光器件的下垂問題，人們采取了兩種方法：優(yōu)化器件設(shè)計和控制量子點的結(jié)構(gòu)。 QD多殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)通過產(chǎn)生限制間隙躍遷的均勻約束電位來有效減少俄歇復(fù)合。這使得紅光LED具有高達~100,000 cd m的高無壓降EQE–2.與其他半導(dǎo)體相比，量子點的窄帶發(fā)射是下一代顯示器的額外優(yōu)勢。經(jīng)過圖案化的量子點被用作光活性物質(zhì)，可吸收短波長的藍光并發(fā)射藍色、綠色和紅色的長波長光。這消除了對單獨濾色片的需求，從而提高了器件效率和光輸出，同時減少了色彩串?dāng)_，甚至減少了器件堆棧中的層數(shù)。為了解決照明中的能耗問題，固態(tài)WLED因其更高的效率、節(jié)能能力和環(huán)境友好性而被認為是一種很有前途的照明光源。一種簡單有效的提高CsPbBr發(fā)光和穩(wěn)定性的方法3量子點是修飾它們的配體。使用與表面結(jié)合更強的理想配體，如丙磺酸鹽和烷基膦酸，可以增強這些量子點的性能。紅綠量子點的高效生產(chǎn)對于實現(xiàn)暖WLED的高顯色指數(shù)(CRI)值至關(guān)重要，使其成為一種有吸引力的策略。

量子點在太陽能領(lǐng)域顯示出巨大的前景，因為它們可用于制造更高效的太陽能電池。鉛基量子點具有功率轉(zhuǎn)換效率高、吸收光譜廣等特點，在太陽能電池中具有廣泛的應(yīng)用。例如，基于近紅外(NIR)PbS量子點的太陽能電池顯示出近12%的轉(zhuǎn)換效率。

正在開發(fā)新材料以增強量子點的光電能力，包括鈣鈦礦和金屬有機框架 (MOF) 量子點。這些MOF-QD可以用作檢測水中汞(Hg)等有害成分的傳感器。這取代了所有傳統(tǒng)的量子點，這些量子點在水中是有毒的，在溶劑等水中不是很穩(wěn)定，可以進一步用作原子吸收光譜等技術(shù)的替代品，后者非常耗時且需要復(fù)雜的儀器。包括物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 在內(nèi)的新興技術(shù)有望在醫(yī)療保健行業(yè)中將量子點與物聯(lián)網(wǎng)集成。量子點應(yīng)用的新維度涉及醫(yī)院、病理實驗室、人工智能(AI)和量子計算。

6. 結(jié)論

綜上所述，量子點因其獨特的性能和在生物醫(yī)學(xué)、光電子學(xué)、量子密碼學(xué)和自旋電子學(xué)等各個領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。多年來，量子點的合成和表征取得了重大進展，從膠體合成到分子束外延和仿生合成。量子點合成的進步改善了這些納米材料的光學(xué)和電子性能。量子點在各個領(lǐng)域的應(yīng)用已顯示出可喜的成果，并為研發(fā)開辟了新的途徑。然而，要進一步推進量子點領(lǐng)域，仍有一些挑戰(zhàn)需要解決。盡管面臨挑戰(zhàn)，但量子點的未來前景是光明的，有望在各個領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮重要作用?？傮w而言，量子點是一個令人興奮的研究領(lǐng)域，并有可能在各個領(lǐng)域帶來重大進展。