2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉，量子點(diǎn)點(diǎn)亮未來(lái)

在宏大宇宙的微小尺度下，隱藏著無(wú)盡的可能。每一個(gè)微小的粒子背后都承載著許多秘密，等待著人類的探索。近幾十年來(lái)，有一種特殊的微小粒子以其獨(dú)特的“美麗”和強(qiáng)大的功能吸引了我們的目光，它們就是量子點(diǎn)。

量子點(diǎn)是一種納米級(jí)半導(dǎo)體發(fā)光材料，本質(zhì)上是一種特殊制造的納米顆粒，其特殊之處在于可以通過(guò)控制它們的尺寸和形狀來(lái)改變其光學(xué)和電子特性。通俗的說(shuō)法就是：量子點(diǎn)可發(fā)出的光的顏色可以通過(guò)改變它們的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)。

(資料圖片僅供參考)

量子點(diǎn)微小而獨(dú)特，攜帶著顏色的魅力和光的希望，為人類打開(kāi)了嶄新的世界，讓我們能夠以全新的視角看待物質(zhì)的奧秘和生命的色彩。

2023年10月4日，2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov，以表彰他們?cè)诹孔狱c(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和合成方面做出的貢獻(xiàn)。

量子點(diǎn)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電視、LED燈以及醫(yī)療（在手術(shù)中指導(dǎo)外科醫(yī)生切除腫瘤組織）等多個(gè)領(lǐng)域。未來(lái)，量子點(diǎn)有望為柔性電子、微型傳感器、更薄的太陽(yáng)能電池和加密量子通信做出貢獻(xiàn)。

量子點(diǎn)到底為什么能從眾多科研成果中脫穎而出，獲得諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委的青睞呢？看完這篇文章，相信你能夠找到答案。

量子點(diǎn)的理論基礎(chǔ)可以追溯到量子力學(xué)的發(fā)展，其制造靈感來(lái)自一百多年來(lái)人類對(duì)納米尺度物質(zhì)量子效應(yīng)的揭示。隨著納米技術(shù)的發(fā)展和對(duì)量子力學(xué)的深入理解，科學(xué)家們開(kāi)始探索在納米尺度上制造半導(dǎo)體，以利用量子效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)新的物理性質(zhì)和應(yīng)用。這種探索和實(shí)驗(yàn)最終導(dǎo)致了量子點(diǎn)的發(fā)明和制造。

那么，量子點(diǎn)的具體結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？

量子點(diǎn)是由數(shù)百或數(shù)千個(gè)原子組成的小團(tuán)體，它們的尺寸非常小，通常在2—10納米范圍內(nèi)。量子點(diǎn)具有特定的三維結(jié)構(gòu)，通常是球形或橢球形。一般的量子點(diǎn)由鎘硒或鉛硫化物等半導(dǎo)體材料組成“核”。有時(shí)量子點(diǎn)的核會(huì)被另一種材料包裹，形成“殼”，以改善其光學(xué)和電子性質(zhì)。

量子點(diǎn)是與量子力學(xué)緊密結(jié)合的尖端技術(shù)，對(duì)它的理解自然繞不開(kāi)量子力學(xué)。但量子力學(xué)是人類掌握的最為復(fù)雜抽象的概念之一，接下來(lái)的段落，筆者將先用量子力學(xué)的一些基本概念來(lái)對(duì)量子點(diǎn)的特征進(jìn)行解釋，再套用一個(gè)生活化的比喻加深大家的理解。

由于量子點(diǎn)的尺寸非常小，電子和空穴的運(yùn)動(dòng)受到空間限制，不能自由移動(dòng)。這種空間限制導(dǎo)致電子和空穴的能量只能取特定值，與宏觀尺度上的半導(dǎo)體材料不同，后者的能量取值是一系列連續(xù)值。這種離散的能級(jí)使得量子點(diǎn)具有獨(dú)特的光學(xué)和電子學(xué)性質(zhì)，例如可調(diào)節(jié)的發(fā)光顏色和高的量子效率。那么，為什么空間限制會(huì)導(dǎo)致電子和空穴的能量不能連續(xù)變化呢？

在量子力學(xué)中，微小空間會(huì)使得粒子的能量量子化（量子化的含義之一就是只能取特定值，而非連續(xù)值）。也就是說(shuō)，在量子點(diǎn)的小空間內(nèi)，電子和空穴的能量只能取特定的離散值，而不能連續(xù)變化，這是由量子力學(xué)的基本原理（波函數(shù)和能量量子化）決定的，也與宏觀尺度上的物質(zhì)形成鮮明對(duì)比。比如在一塊普通的半導(dǎo)體材料（宏觀尺度）中，電子和空穴能在連續(xù)的能量范圍內(nèi)取值。

下面筆者就用生活中的事例來(lái)進(jìn)行比喻，讓上面這段話更好理解。

想象現(xiàn)在有一個(gè)大舞臺(tái)和一個(gè)小舞臺(tái)。在大舞臺(tái)上（宏觀物質(zhì)），舞者（電子和空穴）可以自由移動(dòng)，展示連續(xù)流暢的舞蹈動(dòng)作。但在小舞臺(tái)（量子點(diǎn)）上，舞者的移動(dòng)受到空間限制，只能展示特定的、有限的舞蹈動(dòng)作，這些動(dòng)作就像量子點(diǎn)中的離散能量級(jí)。所以，舞者在小舞臺(tái)上的表演方式會(huì)受到舞臺(tái)大小的限制，類似于電子和空穴在量子點(diǎn)中的能量受到空間限制。

那么，為什么離散的能量級(jí)會(huì)讓量子點(diǎn)具有獨(dú)特的光學(xué)和電子學(xué)性質(zhì)呢？

如果還是用舞蹈來(lái)舉例子，我們可以說(shuō)正是因?yàn)槲枵叩膭?dòng)作非常受限，所以他們對(duì)這些動(dòng)作爛熟于心，比如雖然能跳舞，但卻只能表演一個(gè)令人驚艷的開(kāi)場(chǎng)亮相。在量子點(diǎn)中，由于空間限制，電子和空穴只能在離散的能量級(jí)之間跳躍，就像舞者在有限的動(dòng)作中精雕細(xì)琢。這種精確的能量控制使得量子點(diǎn)能夠發(fā)出特定顏色的光。

量子點(diǎn)技術(shù)與LED、OLED和MiniLED等其他發(fā)光技術(shù)相比，提供了一種能夠在顏色表現(xiàn)、效率、可調(diào)光譜和微型化方面具有優(yōu)勢(shì)的解決方案。我們來(lái)詳細(xì)說(shuō)說(shuō)量子點(diǎn)的優(yōu)異所在。

良好的色彩表現(xiàn)：量子點(diǎn)能夠產(chǎn)生非常精確和飽滿的顏色，因?yàn)樗鼈兊陌l(fā)光波長(zhǎng)可以通過(guò)改變尺寸和材料來(lái)精確調(diào)控，從而產(chǎn)生寬色域和高色彩準(zhǔn)確度。

高效率：量子點(diǎn)具有高的量子效率，即電到光的轉(zhuǎn)換效率很高，這意味著它們能以較低的能耗產(chǎn)生明亮的光。

可調(diào)光譜：通過(guò)簡(jiǎn)單地改變量子點(diǎn)的尺寸，可以改變它們發(fā)出的光的顏色，這種可調(diào)性為設(shè)計(jì)師提供了更多的靈活性，可以根據(jù)需求定制光譜。

尺寸?。河捎诹孔狱c(diǎn)的納米尺寸，它們可以用于微型和集成電子應(yīng)用，如微型顯示器和生物成像技術(shù)等。

長(zhǎng)壽命：在適當(dāng)?shù)姆庋b條件下，量子點(diǎn)的化學(xué)和光學(xué)穩(wěn)定性較高，從而提供了較長(zhǎng)的使用壽命和較低的維護(hù)成本。

顯示技術(shù)：量子點(diǎn)已經(jīng)用于QLED顯示技術(shù)（Q代表的就是量子點(diǎn)），它們被摻雜在薄膜中，該薄膜位于LED背光和液晶層之間。量子點(diǎn)可以吸收LED背光，并重新發(fā)射不同顏色的光，以提高顯示器的色彩表現(xiàn)和效率。

生物成像和生物標(biāo)記：量子點(diǎn)可以作為熒光探針，它們能夠與特定的生物分子結(jié)合，發(fā)出特定顏色的光，使得科學(xué)家能夠在細(xì)胞和組織級(jí)別跟蹤生物過(guò)程。

太陽(yáng)能電池：量子點(diǎn)能夠吸收寬光譜范圍內(nèi)的光，包括紅外和紫外光。這使得量子點(diǎn)增強(qiáng)的太陽(yáng)能電池能夠比傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池捕獲更多的太陽(yáng)能。

光催化：量子點(diǎn)可以作為光催化劑，它們能夠吸收光并產(chǎn)生電子和空穴，這些電子和空穴可以參與化學(xué)反應(yīng)，例如水的光解。

光電探測(cè)和傳感器：量子點(diǎn)的光電性質(zhì)使它們成為制作高靈敏度和高選擇性的光電探測(cè)器和傳感器的理想材料，它們能夠檢測(cè)特定波長(zhǎng)的光或特定類型的化學(xué)和生物分子。

醫(yī)學(xué)診斷和治療：量子點(diǎn)能作為熒光探針或藥物載體，為癌癥診斷和治療提供新的可能。例如，量子點(diǎn)可以幫助醫(yī)生在手術(shù)中精確定位腫瘤，或?qū)⑺幬锞_輸送到體內(nèi)的特定區(qū)域。

紅外光源：最新的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整量子點(diǎn)的大小和組成，可以使它們發(fā)射紅外光。這種紅外光源可以用于通信、成像和傳感應(yīng)用，提供了一種低成本和高效的紅外光源解決方案。

在探索量子點(diǎn)的奇異世界中，我們不僅僅是在尋找一種新的物質(zhì)或技術(shù)，更是在探尋生命和宇宙的更多可能。每一種顏色、每一處光芒，都是量子點(diǎn)為我們展示的神秘畫(huà)卷。

通過(guò)量子點(diǎn)，我們得以一窺微觀世界的奇異，感受到科學(xué)與生活的緊密聯(lián)系。隨著量子點(diǎn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)的生活將更加多彩和驚喜。每個(gè)微小的量子點(diǎn)，都有可能點(diǎn)亮我們生活的每一個(gè)角落，讓我們共同期待，那未知而美好的未來(lái)。

出品：科普中國(guó)

作者：張昊（大阪大學(xué)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

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