被Science評(píng)為年度科學(xué)突破之一的量子點(diǎn)

你了解嗎？

量子點(diǎn)又稱半導(dǎo)體納米晶，它的三維尺寸在2-10nm范圍內(nèi)，大概是一根頭發(fā)絲直徑的十萬(wàn)分之一，人眼無(wú)法看到。它一般由II-VI族元素（如CdSe、ZnSe等）或III-V族元素（如InP、InAs等）半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有明顯的量子效應(yīng)。由于量子點(diǎn)*的物理、光學(xué)、電學(xué)特性，曾被Science雜志評(píng)為年度科學(xué)突破之一。

量子點(diǎn)發(fā)光
圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

01

會(huì)發(fā)“光”的量子點(diǎn)，有哪些應(yīng)用？

正是在納米尺度，量子點(diǎn)表現(xiàn)出量子效應(yīng)——當(dāng)這些半導(dǎo)體晶體做到納米尺度，不同的尺寸就可以發(fā)出不同顏色的光。例如，量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)可達(dá)850納米（紅光），相對(duì)于可見(jiàn)光穿透深度更深，更適合應(yīng)用于生物體內(nèi)組織成像。

量子點(diǎn)吸收能力非常強(qiáng)，能夠大提高靈敏度。它對(duì)照明和顯示產(chǎn)業(yè)將會(huì)有重大影響。使用量子點(diǎn)的發(fā)光二管，更加接近于自然光，并且發(fā)熱大大減少。在顯示產(chǎn)業(yè)方面，據(jù)了解，中國(guó)的研究處于優(yōu)勢(shì)，有機(jī)會(huì)整個(gè)顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如此榮耀之事，相信各位讀者和我們一樣，期待不已。

但是問(wèn)題來(lái)了，看不見(jiàn)的量子點(diǎn)，它的“光”如何解析呢？

量子點(diǎn)電視
圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

02

如何解析量子點(diǎn)發(fā)光？

下面就以英國(guó)牛津大學(xué)、埃默里大學(xué)和喬治亞理工學(xué)院的研究成果做一下說(shuō)明。在這部分，你可以了解到量子點(diǎn)尺寸、組成與對(duì)應(yīng)的能帶隙和發(fā)射峰值的變化關(guān)系。

1樣本準(zhǔn)備

本例中使用的CdSeTe量子點(diǎn)^[1]，直徑范圍2.7-8.6 nm。量子點(diǎn)通過(guò)沉降和離心純化處理后室溫保存?zhèn)溆谩?/span>

2測(cè)試條件

吸收光譜由吸收光譜測(cè)得 (帶寬=1.0 nm)。參照Fendle等人^[2]的方法，通過(guò)吸收數(shù)據(jù)獲得起始吸收邊和能帶隙。

光致發(fā)光光譜（通常所說(shuō)的熒光光譜）由HORIBA FluoroMax^®高靈敏度熒光光譜儀測(cè)得 (λexc = 475 nm，帶寬 = 2.0 nm)。所有光譜測(cè)量都在光譜儀響應(yīng)校正下獲得的。

3結(jié)果分析

下圖是組成相同，尺寸不同量子點(diǎn)的吸收和發(fā)射光譜。我們發(fā)現(xiàn)吸收和發(fā)射波長(zhǎng)隨量子點(diǎn)直徑增大而紅移。

不同尺寸的CdSe_0.34Te_0.66量子點(diǎn)的吸收光譜（實(shí)線）和光致發(fā)光（虛線）譜

下面兩張圖分別是Te含量對(duì)能帶隙（上圖）及發(fā)射峰位（下圖）的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，量子點(diǎn)組成不同，對(duì)應(yīng)的能帶隙和發(fā)射峰值也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)Te含量為60%時(shí)，電子躍遷和熒光帶邊發(fā)射都出現(xiàn)拐點(diǎn)。

  能帶隙（上圖），發(fā)射波長(zhǎng)（下圖）

與量子點(diǎn)中Te濃度的關(guān)系曲線

盡管量子點(diǎn)的尺寸小到納米級(jí)，看不見(jiàn)摸不著，但是通過(guò)以上兩組實(shí)驗(yàn)表征量子點(diǎn)的發(fā)光特性，我們可以發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)的發(fā)光與其尺寸和組成相關(guān)。這一重要結(jié)論，是通過(guò)HORIBA熒光光譜儀獲得的。在本實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用的是FluoroMax®高靈敏熒光光譜儀，正是由于它高靈敏的特性，可以輕松、快速得到非線性變化的光致發(fā)光光譜。因此，如果說(shuō)“量子點(diǎn)的世界”是神奇、復(fù)雜的，經(jīng)常表現(xiàn)出與宏觀世界不同的現(xiàn)象，那么HORIBA熒光光譜儀，就是幫助科研工作者解析量子點(diǎn)世界的“神器”。

03

致 謝

感謝英國(guó)牛津大學(xué)的Robert Bailey和埃默里大學(xué)和喬治亞理工學(xué)院的Shuming Nie提供數(shù)據(jù)和圖片。

參考文獻(xiàn)：

[1]R.E. Bailey and S. Nie, J. Am. Chem. Soc., 125, 7100–7106 (2003).

[2]Y. Tian, et al., J. Phys. Chem., 100, 8927–8939 (1996).

>>>> 點(diǎn)擊標(biāo)題，查看往期精華文章

• 上交大拉曼探針有望定位腫瘤君，助力攻克醫(yī)學(xué)難題

• 光譜分析助力鋰電池產(chǎn)業(yè)突破：拉曼篇（1）鋰電池充放電過(guò)程正負(fù)的研究

>>>>HORIBA科學(xué)儀器事業(yè)部

結(jié)合旗下具有近 200 多年發(fā)展歷史的 Jobin Yvon 光學(xué)光譜技術(shù)，HORIBA Scientific 致力于為科研及工業(yè)用戶提供先進(jìn)的檢測(cè)和分析工具及解決方案。如：光學(xué)光譜、分子光譜、元素分析、材料表征及表面分析等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)。今天HORIBA 的高品質(zhì)科學(xué)儀器已經(jīng)成為科研、各行業(yè)研發(fā)及質(zhì)量控制的。