量子点的简介

       量子点 (Quantum dots，简称QD)也叫做半导体纳米晶体，由少数原子组成，粒径一般为2-10nm。当半导体晶体的颗粒尺寸可以达到纳米量级时，由于具有尺寸限域，在三个空间上载流子都会被束缚住，使其连续的能带被离散开，变成具有分子特性的能级，和原子的不连续电子能阶结构一样。所以，量子点又有“人造原子”的称呼。量子点是一种新颖的大分子，对量子点的研究探究有助于了解物质性质从原子、团簇到宏观体相的演化。

1.2.1量子点的基本概念

       量子点(quantum dots，QDs)是一种由有限数目的原子组成的纳米材料，其三个维度的尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料(通常由IIB～ⅥA或IIIA～VA元素组成)制成的。量子点既可由一种半导体材料组成，如由IIB～VIA族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIA～VA族元素(如InP、InAs等)组成，也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。量子点作为一种新型的半导体纳米材料，它具有许多独特的纳米性质。

1.2.2量子点的发光原理及特性

       量子点的发光特性由空穴、电子、周围环境的相互间作用所决定的。量子点具有可以分离的量子化的能谱，受激能发射出光。量子点吸收高能量的光子后，光子的能量传递到量子点，量子点就会被激发。价带中的电子跃迁到导带，跃迁之后的电子不稳定，可能通过辐射跃迁（而且伴随光子的发射，发射出长波长的光），或是落入半导体的电子陷阱，从高能阶的状态下降到低能阶的状态。电子进入到更深层次的电子陷阱后，大部分会发生非辐射跃迁而泯灭，只有很少量的电子按照光子的形式回到价带，或者以非辐射跃迁的形式回到导带。其原理图如图1-3所示。    
 
                                        半导体量子点

与传统的荧光试剂相比，量子点具有明显的量子效应，具有亮度强、稳定性好、显色性好、色域广等特点，如图1-4所示
 图1-4  (a) CdSe/ZnS和PbS/CdS核/壳量子点的发射光谱；
(b) 量子点色域
 
具体表现在：
（1）颜色可调
       传统的荧光试剂的色彩低调，一般仅有一种特征的颜色，但是量子点可以发射出所有可见光的光谱。因为量子点具有量子尺寸效应，不仅可以调节量子点的颗粒大小，而且还可以改变其化学组成。而且发射光谱峰状尖锐，呈对称性。
（2）光稳定性好
    一般的荧光试剂抗光漂白性能差，而量子点则具有较好的稳定性，能对已标记的物体进行长时间的追踪观察。
（3）激发光谱范围宽
    和传统的荧光试剂相比，量子点的激发光谱宽，发射光谱窄，并且连续分布能实现单一激发，多元发射。
（4）较大的斯托克斯位移
    可以避免发射光谱和激发光普的交叉重叠，非常利于荧光光谱信号的检测。
（5）荧光寿命长，生物相容性好
    因为量子点的重复激发，所有其荧光时效可以持续更久，可持续数十纳秒（20ns-50ns），而传统荧光试剂的荧光寿命大约为2ns。
总之，随着对量子点的不断研究，使量子点在太阳能电池，照明，显示等领域，有着更广阔的应用前景。

1.2.3量子点的其它应用

       随着对量子点的不断深入研究，量子点在生物成像、光电器件和光学设备等领域也有广阔的应用前景。
（1）生物医学
        在医学方面，量子点由于发光光谱宽、颜色可调、抗光漂白性强、荧光寿命长等优点，可作为荧光标记物，使细胞可视化，间接的探测分析物质含量。还能与肿瘤细胞或细菌相结合，辨识出致病菌株。
       在显微镜下观察量子点，在活细胞中监测不到。不过随着活体成像的推广使用，能够发射近红外的量子点，其光谱可以容易地穿过组织，而且可以很好的与背景荧光分离开来，对于细胞成像领域，这是一个巨大的突破。虽然如此，仍然没有解决是量子点的毒性问题，研究表明，量子点的表面配体决定了其危害性。
（2）量子点太阳能电池
       作为一种新型的纳米级材料，量子点有着良好的光电特性。由于能量转换效率理论上限的限制，Si光伏电池的光电效率只有30%，而且实际中，只能达到25%。不过，这种高效率的太阳能电池的成本比较高，基于染料敏化TiO₂材料的电池，性价比高，其能量转换效率可到11%，生产过程也简单经济。量子点与染料相对比，量子点有：1.良好的化学稳定性；2.吸收截面大；3.可调的带隙随颗粒尺寸；4.电子-空穴对寿命长等等特性，能替代之前的染料，作为新一代的太阳能电池敏化材料；太阳能电池的基质可以用量子点膜制作，不过转换效率较低。
       然而，还有个争议问题，也就是量子限域效应对增强多激子是否会带来影响。不过至少由于量子点的可调带隙能匹配好太阳光谱的能力，也有非常大的潜力。
（3）量子点激光器
      由于载流子在量子点材料中具有强限制作用，可以制作多层量子点激光器。利用MBE分子束直写技术，在n型GaAs衬底上制备InGaAs量子点，制作成这种激光器。