最新動(dòng)態(tài)量子點(diǎn)(quantum dot)是準(zhǔn)零維(quasi-zero-dimensional)的納米材料，由少量的原子所構(gòu)成。粗略地說(shuō)，量子點(diǎn)三個(gè)維度的尺寸都在100納米(nm)以下，外觀恰似一極小的點(diǎn)狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，所以量子限域效應(yīng)(quantum confinement effect)特別顯著。
量子點(diǎn)(quantumdots，QDs)是由有限數(shù)目的原子組成，三個(gè)維度尺寸均在納米數(shù)量級(jí)。量子點(diǎn)一般為球形或類球形，是由半導(dǎo)體材料(通常由IIB~ⅥA或IIIA~VA元素組成)制成的、穩(wěn)定直徑在2~20 nm的納米粒子。量子點(diǎn)是在納米尺度上的原子和分子的集合體，既可由一種半導(dǎo)體材料組成，如由IIB.VIA族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIA.VA族元素（如InP、InAs等)組成，也可以由兩種或兩種以上的半導(dǎo)體材料組成。作為一種新穎的半導(dǎo)體納米材料，量子點(diǎn)具有許多獨(dú)特的納米性質(zhì)。
量子點(diǎn)(英語(yǔ):Quantum Dot)是在把導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子在三個(gè)空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)，電子運(yùn)動(dòng)在三維空間都受到了限制，因此有時(shí)被稱為"人造原子"、"超晶格"、"超原子"或"量子點(diǎn)原子"，是20世紀(jì)90年代提出來(lái)的一個(gè)新概念。 量子點(diǎn)是在把導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子在三個(gè)空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。這種約束可以歸結(jié)于靜電勢(shì)(由外部的電極，摻雜，應(yīng)變，雜質(zhì)產(chǎn)生)，兩種不同半導(dǎo)體材料的界面(例如:在自組量子點(diǎn)中)，半導(dǎo)體的表面(例如:半導(dǎo)體納米晶體)，或者以上三者的結(jié)合。量子點(diǎn)具有分離的量子化的能譜。所對(duì)應(yīng)的波函數(shù)在空間上位于量子點(diǎn)中，但延伸于數(shù)個(gè)晶格周期中。一個(gè)量子點(diǎn)具有少量的(1-100個(gè))整數(shù)個(gè)的電子、空穴或空穴電子對(duì)，即其所帶的電量是元電荷的整數(shù)倍。
量子點(diǎn)，又可稱為納米晶，是一種由II-VI族或III-V族元素組成的納米顆粒。量子點(diǎn)的粒徑一般介于1~10nm之間，由于電子和空穴被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射熒光。基于量子效應(yīng)，量子點(diǎn)在太陽(yáng)能電池，發(fā)光器件，光學(xué)生物標(biāo)記等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)明許多不同的方法來(lái)制造量子點(diǎn)，并預(yù)期這種納米材料在二十一世紀(jì)的納米電子學(xué)(nanoelectronics)上有極大的應(yīng)用潛力。
小的量子點(diǎn),例如膠狀半導(dǎo)體納米晶,可以小到只有2到10個(gè)納米,這相當(dāng)于10到50個(gè)原子的直徑的尺寸,在一個(gè)量子點(diǎn)體積中可以包含100到100,000個(gè)這樣的原子.自組裝量子點(diǎn)的典型尺寸在10到50 納米之間。通過(guò)光刻成型的門(mén)電極 或者刻蝕半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣形成的量子點(diǎn)橫向尺寸可以超過(guò)100納米。將10納米尺寸的三百萬(wàn)個(gè)量子點(diǎn)首尾 相接排列起來(lái)可以達(dá)到人類拇指的寬度。
量子點(diǎn)按其幾何形狀，可分為箱形量子點(diǎn)、球形量子點(diǎn)、四面體量子點(diǎn)、柱形量子點(diǎn)、立方量子點(diǎn)、盤(pán)形量子點(diǎn)和外場(chǎng)(電場(chǎng)和磁場(chǎng))誘導(dǎo)量子點(diǎn);按其電子與空穴的量子封閉作用，量子點(diǎn)可分為1型量子點(diǎn)和2型量子點(diǎn);按其材料組成，量子點(diǎn)又可分為元素半導(dǎo)體量子點(diǎn)，化合物半導(dǎo)體量子點(diǎn)和異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)。此外，原子及分子團(tuán)簇、超微粒子和多空硅等也都屬于量子點(diǎn)范疇。
制備方法：
經(jīng)過(guò)十余年的不斷改進(jìn)，迄今建立了多種量子點(diǎn)的制備方法，主要有物理方法和化學(xué)方法，以化學(xué)方法為主。當(dāng)前，量子點(diǎn)的軟化學(xué)制備方法有兩種:一種是采用膠體化學(xué)的方法在有機(jī)體系中合成，另一種是在水溶液中合成。
金屬合成法：
量子點(diǎn)的研究是20世紀(jì)90年代最早從鑲嵌在玻璃中的CdSe量子點(diǎn)開(kāi)始的。CdSe納米晶體的制備是一個(gè)最成功的例子。1993年，Bawendi等第一次使用二甲基鎘(Cd(CH3)2)、三辛基硒化膦(SeTOP)作為前體，三辛基氧化膦(TOPO)作為配位溶劑，合成了高效發(fā)光的硒化鎘(CdSe)量子點(diǎn)，由于CdSe納米顆粒不溶于甲醇，可以加入過(guò)量甲醇，通過(guò)離心分離得到CdSe納米顆粒，其量子產(chǎn)率約為10%。
水相直接合成法：
在水相中直接合成量子點(diǎn)具有操作簡(jiǎn)便、重復(fù)性高、成本低、表面電荷和表面性質(zhì)可控，容易引入功能性基團(tuán)，生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，其優(yōu)良的性能有望成為一種有發(fā)展?jié)摿Φ纳餆晒馓结?。?dāng)前，水相直接合成水溶性量子點(diǎn)技術(shù)主要以水溶性巰基試劑作穩(wěn)定劑。
近些年來(lái)又發(fā)展了用其它類型試劑做穩(wěn)定劑制備水溶性量子點(diǎn)的方法，Sondi等用氨基葡聚糖(aminodextran，Amdex)作穩(wěn)定劑，在室溫下合成了CdSe量子點(diǎn)。
主要性質(zhì)：
(1)量子點(diǎn)的發(fā)射光譜可以通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸大小來(lái)控制。通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸和它的化學(xué)組成可以使其發(fā)射光譜覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)。以CdTe量子為例，當(dāng)它的粒徑從2.5nm生長(zhǎng)到4.0nm時(shí)，它們的發(fā)射波長(zhǎng)可以從510nm紅移到660nm
(2)量子點(diǎn)具有很好的光穩(wěn)定性。量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度比最常用的有機(jī)熒光材料"羅丹明6G"高20倍，它的穩(wěn)定性更是"羅丹明6G"的100倍以上。因此，量子點(diǎn)可以對(duì)標(biāo)記的物體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀察，這也為研究細(xì)胞中生物分子之間長(zhǎng)期相互作用提供了有力的工具。
(3)量子點(diǎn)具有寬的激發(fā)譜和窄的發(fā)射譜。使用同一激發(fā)光源就可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒徑的量子點(diǎn)進(jìn)行同步檢測(cè)，因而可用于多色標(biāo)記，極大地促進(jìn)了熒光標(biāo)記在中的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料的激發(fā)光波長(zhǎng)范圍較窄，不同熒光染料通常需要多種波長(zhǎng)的激發(fā)光來(lái)激發(fā)，這給實(shí)際的研究工作帶來(lái)了很多不便。此外，量子點(diǎn)具有窄而對(duì)稱的熒光發(fā)射峰，且無(wú)拖尾，多色量子點(diǎn)同時(shí)使用時(shí)不容易出現(xiàn)光譜交疊。
(4)量子點(diǎn)具有較大的斯托克斯位移。量子點(diǎn)不同于有機(jī)染料的另一光學(xué)性質(zhì)就是寬大的斯托克斯位移，這樣可以避免發(fā)射光譜與激發(fā)光譜的重疊，有利于熒光光譜信號(hào)的檢測(cè)。
(5)生物相容性好。量子點(diǎn)經(jīng)過(guò)各種化學(xué)修飾之后，可以進(jìn)行特異性連接，其細(xì)胞毒性低，對(duì)生物體危害小，可進(jìn)行生物活體標(biāo)記和檢測(cè)。
(6)量子點(diǎn)的熒光壽命長(zhǎng)。有機(jī)熒光染料的熒光壽命一般僅為幾納秒(這與很多生物樣本的自發(fā)熒光衰減的時(shí)間相當(dāng))。而量子點(diǎn)的熒光壽命可持續(xù)數(shù)十納秒(20ns一50ns)，這使得當(dāng)光激發(fā)后，大多數(shù)的自發(fā)熒光已經(jīng)衰變，而量子點(diǎn)熒光仍然存在，此時(shí)即可得到無(wú)背景干擾的熒光信號(hào)。
總而言之，量子點(diǎn)具有激發(fā)光譜寬且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜窄而對(duì)稱，顏色可調(diào)，光化學(xué)穩(wěn)定性高，熒光壽命長(zhǎng)等優(yōu)越的熒光特性，是一種理想的熒光探針。
量子點(diǎn)的物理效應(yīng)
量子點(diǎn)獨(dú)特的性質(zhì)基于它自身的量子效應(yīng)，當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，尺寸限域?qū)⒁?/span>尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)，從而派生出納米體系具有常觀體系和微觀體系不同的低維物性，展現(xiàn)出許多不同于宏觀體材料的物理化學(xué)性質(zhì)，在非線形光學(xué)、磁介質(zhì)、催化、醫(yī)藥及功能材料等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)將對(duì)生命科學(xué)和信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及物質(zhì)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究發(fā)生深刻的影響。
通過(guò)控制量子點(diǎn)的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸，就可以方便地調(diào)節(jié)其能隙寬度、激子束縛能的大小以及激子的能量藍(lán)移等電子狀態(tài)。隨著量子點(diǎn)尺寸的逐漸減小，量子點(diǎn)的光吸收譜出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象。尺寸越小，則譜藍(lán)移現(xiàn)象也越顯著，這就是人所共知的量子尺寸效應(yīng)。
表面效應(yīng)是指隨著量子點(diǎn)的粒徑減小，大部分原子位于量子點(diǎn)的表面，量子點(diǎn)的比表面積隨粒徑減小而增大。由于納米顆粒大的比表面積，表面相原子數(shù)的增多，導(dǎo)致了表面原子的配位不足、不飽和鍵和懸鍵增多.使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。這種表面效應(yīng)將引起納米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和結(jié)構(gòu)型的變化，同時(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。表面缺陷導(dǎo)致陷阱電子或空穴，它們反過(guò)來(lái)會(huì)影響量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)、引起非線性光學(xué)效應(yīng)。金屬體材料通過(guò)光反射而呈現(xiàn)出各種特征顏色，由于表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)使納米金屬顆粒對(duì)光反射系數(shù)顯著下降，通常低于1%，因而納米金屬顆粒一般呈黑色，粒徑越小，顏色越深，即納米顆粒的光吸收能力越強(qiáng)，呈現(xiàn)出寬頻帶強(qiáng)吸收譜。
由于量子點(diǎn)與電子的De Broglie波長(zhǎng)、相干波長(zhǎng)及激子Bohr半徑可比擬，電子局限在納米空間，電子輸運(yùn)受到限制，電子平均自由程很短，電子的局域性和相干性增強(qiáng)，將引起量子限域效應(yīng)。對(duì)于量子點(diǎn)，當(dāng)粒徑與Wannier激子Bohr半徑aB相當(dāng)或更小時(shí)，處于強(qiáng)限域區(qū)，易形成激子，產(chǎn)生激子吸收帶。隨著粒徑的減小，激子帶的吸收系數(shù)增加，出現(xiàn)激子強(qiáng)吸收。由于量子限域效應(yīng)，激子的最低能量向高能方向移動(dòng)即藍(lán)移。最新的報(bào)道表面，日本NEC已成功地制備了量子點(diǎn)陣，在基底上沉積納米島狀量子點(diǎn)陣列。當(dāng)用激光照射量子點(diǎn)使之激勵(lì)時(shí)，量子點(diǎn)發(fā)出藍(lán)光，表明量子點(diǎn)確實(shí)具有關(guān)閉電子的功能的量子限域效應(yīng)。當(dāng)量子點(diǎn)的粒徑大于Waboer激子Bohr半徑嶺時(shí)，處于弱限域區(qū)，此時(shí)不能形成激子，其光譜是由干帶間躍遷的一系列線譜組成。
傳統(tǒng)的功能材料和元件，其物理尺寸遠(yuǎn)大于電子自由程，所觀測(cè)的是群電子輸運(yùn)行為，具有統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，所描述的性質(zhì)主要是宏觀物理量.當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時(shí)，必須要考慮量子隧道效應(yīng)。100nm被認(rèn)為是微電子技術(shù)發(fā)展的極限，原因是電子在納米尺度空間中將有明顯的波動(dòng)性，其量子效應(yīng)將起主要功能.電子在納米尺度空間中運(yùn)動(dòng)，物理線度與電子自由程相當(dāng)，載流子的輸運(yùn)過(guò)程將有明顯電子的波動(dòng)性，出現(xiàn)量子隧道效應(yīng)，電子的能級(jí)是分立的.利用電子的量子效應(yīng)制造的量子器件，要實(shí)現(xiàn)量子效應(yīng)，要求在幾個(gè)μm到幾十個(gè)μm的微小區(qū)域形成納米導(dǎo)電域。電子被"鎖"在納米導(dǎo)電區(qū)域，電子在納米空間中顯現(xiàn)出的波動(dòng)性產(chǎn)生了量子限域效應(yīng)。納米導(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的量子墊壘，當(dāng)電壓很低時(shí)，電子被限制在納米尺度范圍運(yùn)動(dòng)，升高電壓可以使電子越過(guò)納米勢(shì)壘形成費(fèi)米電子海，使體系變?yōu)閷?dǎo)電.電子從一個(gè)量子阱穿越量子墊壘進(jìn)入另一個(gè)量子阱就出現(xiàn)了量子隧道效應(yīng)，這種絕緣到導(dǎo)電的臨界效應(yīng)是納米有序陣列體系的特點(diǎn)。
當(dāng)一個(gè)量子點(diǎn)與其所有相關(guān)電極的電容之和足夠小的時(shí)候，只要有一個(gè)電子進(jìn)入量子點(diǎn)，系統(tǒng)增加的靜電能就會(huì)遠(yuǎn)大于電子熱運(yùn)動(dòng)能力，這個(gè)靜電能將阻止隨后的第二個(gè)電子進(jìn)入同一個(gè)量子點(diǎn)，這就是庫(kù)侖阻塞效應(yīng)。
很多現(xiàn)代發(fā)光材料和器件都由半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，材料形成的量子點(diǎn)尺寸都與過(guò)去常用的染料分子的尺寸接近，因而象熒光染料一樣對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究有很大用途。從生物體系的發(fā)光標(biāo)記物的差別上講，量子點(diǎn)由于量子力學(xué)的奇妙規(guī)則而具有顯著的尺寸效應(yīng)，基本上高于特定域值的光都可吸收，而一個(gè)有機(jī)染料分子只有在吸收合適能量的光子后才能從基態(tài)升到較高的激發(fā)態(tài)，所用的光必須是精確的波長(zhǎng)或顏色，這明顯與半導(dǎo)體體相材料不同，而量子點(diǎn)要吸收所有高于其帶隙能量的光子，但所發(fā)射的光波長(zhǎng)(即顏色)又非常具有尺寸依賴性。所以，單一種類的納米半導(dǎo)體材料就能夠按尺寸變化產(chǎn)生一個(gè)發(fā)光波長(zhǎng)不同的、顏色分明的標(biāo)記物家族，這是染料分子根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
與傳統(tǒng)的染料分子相比，量子點(diǎn)確實(shí)具有多種優(yōu)勢(shì)。無(wú)機(jī)微晶能夠承受多次的激發(fā)和光發(fā)射，而有機(jī)分子卻會(huì)分解.持久的穩(wěn)定性可以讓研究人員更長(zhǎng)時(shí)間地觀測(cè)細(xì)胞和組織，并毫無(wú)困難地進(jìn)行界面修飾連接"。量于點(diǎn)******的好處是有豐富的顏色。生物體系的復(fù)雜性經(jīng)常需要同時(shí)觀察幾種組分，如果用染料分子染色，則需要不同波長(zhǎng)的光來(lái)激發(fā)，而量于點(diǎn)則不存在這個(gè)問(wèn)題，使用不同大小(進(jìn)而不同色彩)的納米晶體來(lái)標(biāo)記不同的生物分子。使用單一光源就可以使不同的顆粒能夠被即時(shí)監(jiān)控。量子點(diǎn)特殊的光學(xué)性質(zhì)使得它在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應(yīng)用前景
半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長(zhǎng)和性質(zhì)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，目前最常用的制備量子點(diǎn)的方法是自組織生長(zhǎng)方式。
量子點(diǎn)中低的態(tài)密度和能級(jí)的尖銳化，導(dǎo)致了量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)其中的載流子產(chǎn)生三維量子限制效應(yīng)，從而使其電學(xué)性能和光學(xué)性能發(fā)生變化，而且量子點(diǎn)在正入射情況下能發(fā)生明顯的帶內(nèi)躍遷。這些性質(zhì)使得半導(dǎo)體量子點(diǎn)在單電子器件、存貯器以及各種光電器件等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景。
基于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)制成的半導(dǎo)體單電子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人們的關(guān)注。 "半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料及量子點(diǎn)激光器"是半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)前沿性課題。這項(xiàng)工作獲得了突破性進(jìn)展，于2000年4月19日通過(guò)中國(guó)科學(xué)院科技成果鑒定。半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)材料是一種人工改性的新型半導(dǎo)體低維材料，基于它的量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿和庫(kù)侖阻塞以及非線性光學(xué)效應(yīng)等是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)，在未來(lái)的納米電子學(xué)、光電子學(xué)和新一代超大規(guī)模集成電路等方面有著極其重要的應(yīng)用前景。采用應(yīng)變自組裝方法直接生長(zhǎng)量子點(diǎn)材料，可將量子點(diǎn)的橫向尺寸縮小到幾十納米之內(nèi)，接近縱向尺寸，并可獲得無(wú)損傷、無(wú)位借的量子點(diǎn)，現(xiàn)已成為量子點(diǎn)材料制備的重要手段之一;其不足之處是量子點(diǎn)的均勻性不易控制。 以量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的量子點(diǎn)激光器理論上具有更低的閾值電流密度、更高的光增益、更高的特征溫度和更寬的調(diào)制帶寬等優(yōu)點(diǎn)，將使半導(dǎo)體激光器的性能有一個(gè)大的飛躍，對(duì)未來(lái)半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)的發(fā)展方向影響巨大。近些年，歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家都開(kāi)展了應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)材料和量子點(diǎn)激光器的研究，取得了很大進(jìn)展。
除了采用量子點(diǎn)材料研制邊發(fā)射、面發(fā)射激光器外，在其他的光電子器件上量子點(diǎn)也得到了廣泛的應(yīng)用。
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