Science.多伦多大学：多位大牛联合发表：激荡三十年，量子点广泛应用迎来曙光!

2021-08-27 06:40:24, 前沿君 HORIBA科学仪器事业部

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Part 1

成果简介

近期，多伦多大学的Edward H. Sargent联合领域大牛Dmitri V. Talapin、Victor I. Klimov、Yasuhiko Arakawa等人撰写了最新综述文章，回顾了胶体量子点近三十年的研究历程，评估了这些纳米级半导体物质的技术进步，同时还指出了量子点商业化过程中仍然存在的挑战。相关文章以“Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges”为题发表在Science。

Part 2

背景介绍

长期以来，半导体材料是引领人类走入现代生活的重要推手，其以独特的光/电学特性在计算机、移动电话、激光以及卫星等领域都引发了巨大的技术革命。而当这些半导体材料的尺寸大幅减小到纳米级水平时，就产生了一种全新的材料，即半导体量子点。在量子点中，有限的电子运动会产生离散的类原子电子结构和尺寸相关的能级，从而可设计具有广泛可调光吸收、纯色光发射、可控电子输运等特性的纳米材料，有望在显示器、能源器件等领域广泛使用。

三星“画境”系列量子点电视（来源：三星中国官网）

Part 3

图文导读

1.量子点的制备方法

目前主要有以下两种策略来制备量子点：在自上而下的物理方法中，依赖刻蚀或者研磨的手段在现有的半导体材料中定义纳米尺度区域和体积来生产量子点；在自下而上的湿化学方法中，量子点的生长则通过原子或者分子构建模块组装来实现。

图1 量子点的制备

2.从功能构建到应用

量子点技术发展的关键在于对量子点带隙的控制和构建，其可以通过改变量子点尺寸来进行调节，能量调节范围可从紫外区域一直延伸到红外区域。通过控制量子点带隙，量子点可在发光显示、太阳能富集、激光通讯、传感、医学诊断等领域发挥巨大的作用。

在高度单分散的胶体量子点中，离散的类原子电子能态结构可促使量子点在室温下展现出窄带明亮发光性能，其半峰全宽只有20-80 meV，几乎就是单点线宽的水平。凭借这一优势，量子点可发挥高色纯度优势，推动新型电视和现实设备的发展。

量子点还具有可调的表面化学。量子点表面常常存在着具有不同形貌和功能基团的分子，可链接蛋白质、抗体等生物学物质，从而可作为可光学寻址的生物标记进行使用。

图2 用于传感领域的量子点材料

3.技术进步与挑战

这篇文章也谈及了量子点发展对于技术进步的贡献和现存的挑战。例如电驱动量子点可赋能发光二极管，从而创造量子点发光二极管。通过对非辐射俄歇复合等性能限制因素的不断研究，量子点发光二极管目前已经展现出了极佳的亮度，其最佳效率也已经逼近理论极限。

图3 量子点发光二极管的效率研究

除此之外，量子点在激光器、太阳能富集等领域均具有巨大的应用前景。正如文章作者之一Victor I. Klimov所言，“溶液可加工量子点激光器的出现和使用能够推动集成光子电路、光学通讯、可穿戴器件等技术的进一步发展。而在不久的将来，结合太阳能技术的量子点器件也能助力窗户、墙壁等成为清洁能源生产设备。”

图4 用于太阳能富集的量子点材料

然而与此同时，作者们也指出，在量子点制备方面，还需要实现基于溶液化学合成的高质量量子点制备、降低生产成本、调节量子点重金属含量、提高量子点材料长期稳定性；而在器件方面，还需要规模化量子点基器件的制造过程、完善量子点基器件的性能评价方式。只有克服这些挑战，才能真正实现量子点的商业化应用。

Part 4

文献信息

Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges

文章署名作者：

F. Pelayo García de Arquer, Dmitri V. Talapin, Victor I. Klimov, Yasuhiko Arakawa, Manfred Bayer, Edward H. Sargent,

文章链接：

https://doi.org/10.1126/science.aaz8541

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