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量子点技术的前世今生和未来

导读: 量子点属于一大类新材料——溶液纳米晶中的一种。溶液纳米晶具有晶体和溶液的双重性质,量子点是其中马上具有突破性工业应用的材料。

  

    一类明星材料——量子点

  量子点属于一大类新材料——溶液纳米晶中的一种。溶液纳米晶具有晶体和溶液的双重性质,量子点是其中马上具有突破性工业应用的材料。

  与其他纳米晶材料不同,量子点是以半导体晶体为基础的。尺寸在1~100纳米之间,每一个粒子都是单晶。量子点的名字,来源于半导体纳米晶的量子限域效应,或者量子尺寸效应。当半导体晶体小到纳米尺度(1纳米大约等于头发丝宽度的万分之一),不同的尺寸就可以发出不同颜色的光。比如硒化镉这种半导体纳米晶,在2纳米时发出的是蓝色光,到8纳米的尺寸时发出的就是红色光,中间的尺寸则呈现绿色黄色橙色等等。量子点的化学成分,发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区,而且色纯度高、连续可调。

  量子点可以应用在生物医疗领域。我们能用量子点把细胞的骨架完全显示出来。与其它种类的检测手段相比,量子点发光材料做检测肯定是有优势的。我们可以很容易地利用量子点的不同颜色来同时检测多种病菌或者农药残留。而且,因为量子点吸收能力非常大,能够大大提高灵敏度。

  量子点也能应用于照明产业。目前照明消耗的能量大致相当于电能的20%。但人造光源的光效率是很低的。例如,照明质量高的白炽灯,光效只有2%。如果能把效率提高到20%,就意味着能节省能源消耗的20%。美国能源部的固态照明路线图写了一段话:量子点在人类照明领域将起到重要作用。

  另外,还有显示产业。目前的第一代量子点显示设备,是氮化镓LED与量子点结合的背光源产品,纳晶公司和美国两家高科技公司都已经进入商业化阶段。这种新型的背光源,让显示颜色的纯度、色饱和度很高,是其它显示技术难以企及的。据我所知,国内一家大型电视机厂家将会在今年年底或者明年年初推出这种新型的彩色电视。

  从发端到热潮

  量子点领域的发端,大约在70年代末。当时,西方国家的化学家受石油危机的影响,想寻找新一代能利用太阳能的光催化和光电转换系统。借鉴半导体太阳能电池的原理,化学家们开始尝试着在溶液中制备半导体小晶体,并研究它们的光电性质。有代表性的人物,包括美国的BARD和BRUS、前苏联的Ekimov、德国的HENGLEIN等。

  在实验室里,研究人员发现了一个非常奇怪的现象。比如,硫化铅的大块单晶总是大家熟悉的黑色,但是,化学家在溶液中做出来的纳米晶体颜色各不一样,有的黄、有的红、有的黑,有的甚至没有颜色。到底发生了什么奇怪的事情?

  最后,美国科学家BRUS、前苏联的E-FROS给出了一个漂亮的解释,这就是“量子限域效应”理论。他们俩的文章发表时间有些不同,但由于前苏联的隔离,彼此并不知道对方的工作。

  目前为止,这个领域还是化学家在起主导作用,合成出性能达到要求的量子点还是该领域最关键的事情。1990年以前,合成方法都是基于传统的制备胶体小粒子的化学方法,例如共沉淀、微乳液、胶束等。这些方法能够在一定程度上把尺寸控制在要求的范围内,但光学性能非常差,基本上不发光。

  量子点研究在1990年到1993年之间发生了一件非常重要的事情,出现了一种新的合成方法,叫“金属有机-配位溶剂-高温”路线,这个方法最早在贝尔实验室被发明,它以具有高毒性、非常不稳定的二甲基镉作为镉源,在高温(300摄氏度左右)、有机配位溶剂中合成高质量硒化镉。这对于整个领域具有里程碑式意义。但是,这同时也给领域留下来一个挑战。他们用的原料,是从“金属有机气相沉积”借鉴而来,其中的二甲基镉是爆炸性的,即使是室温也不稳定,而且毒性很大,成本很高。这些因素,导致在后来10年间,这个领域发展并不快,而且只能做一种材料。

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