专业版 | 量子点：跨越千年的探索

2023-10-13 11:39:31, 孙千赛默飞材料表征仪器

本文转自华南理工孙千老师公众号“老千和他的朋友们”，关于量子点，除了这篇专业版，文末还有孙千老师关于量子点的科普版文章，感兴趣可直接划至文末阅读。

瑞典皇家科学院决定授予Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov 2023年诺贝尔化学奖，以表彰他们发现和合成量子点。

Moungi G. Bawendi ，1961 年出生于法国巴黎。1988 年获美国伊利诺斯州芝加哥大学博士学位。美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院教授。

Louis E. Brus， 1943 年出生于美国俄亥俄州克利夫兰市。1969 年获美国纽约哥伦比亚大学博士学位。美国纽约哥伦比亚大学教授。

Alexei I. Ekimov， 1945 年生于前苏联。1974 年获俄罗斯圣彼得堡 Ioffe 物理技术学院博士学位。曾任美国纽约州纽约市纳米晶体技术公司首席科学家。

今年的诺贝尔化学奖表彰的是纳米尺寸半导体晶体的发现和合成，其性质由量子尺寸效应决定。这种纳米粒子被称为量子点（Quantum-dots），它们非常小，其物理尺寸决定了材料电荷载流子的量子力学状态。

1 什么是量子点？

量子点是一类既非分子也非块状的新型材料。它们具有与大块材料相同的结构和原子成分，但其特性却可以通过单一参数（粒子的大小）来调整，通常在1-20nm范围调节。例如，硒化镉量子点的光吸收和发射可以在几乎整个可见光光谱范围内进行调节。这之所以成为可能，是因为硒化镉量子点的能带隙在1.8 eV（其块状值）到3eV（最小量子点，见图2）之间变化。其他可根据量子点大小进行调整的材料特性包括电势¹、熔化温度²和固-固相变³等等。

1 Brus, L. E. A Simple-Model for the Ionization-Potential, Electron-Affinity, and Aqueous Redox Potentials of Small Semiconductor Crystallites. J Chem Phys 1983

2 Goldstein, A. N.; Echer, C. M.; Alivisatos, A. P. Melting in Semiconductor Nanocrystals.Science 1992

3 Tolbert, S. H.; Alivisatos, A. P. High-Pressure Structural Transformations in Semiconductor Nanocrystals. Annu Rev Phys Chem 1995

图2 与尺寸有关的带隙示意图。G. Dong et al., Frontiers in Materials 2, 1 (2015).

2 量子点有什么作用？

量子点的发现，以及用高精度但相对简单的化学方法合成此类材料的能力，是纳米科技发展的重要一步。纳米科学的核心原理是：在纳米尺度上，材料和微粒具有新的、与尺寸有关的特性，可以利用和控制这些特性来实现新的应用。化学合成方法是纳米技术不可或缺的推动力，其应用领域包括生物技术、催化、传感、医疗诊断、电子学、光子学和量子技术等。

如今，利用成本相对较低的溶液相批量化学方法，可以生产出具有高度可控、尺寸随特性变化的量子点，从而使这些革命性的材料得以广泛应用。今天，量子点已经初步实现了商业化应用，包括用作照明和显示技术⁴以及生物医学成像⁵中的高质量发光体。

4 Quantum Dot Market; 2021. https://www.marketsandmarkets.com

5 Abdellatif, A. A. H.; Younis, M. A.; Alsharidah, M.; Al Rugaie, O.; Tawfeek, M. H. Biomedical Applications of Quantum Dots: Overview, Challenges, and Clinical Potential. Int J Nanomed 2022

3 量子尺寸效应的理论和早期观测

量子点的基本理论概念被称为"盒中粒子"问题。当量子力学粒子（如电子）被束缚在一个尺寸L与粒子的德布罗意波长相当的"盒子"内时，波函数所允许的特征态的能量与L密切相关，能量间距∆E的尺度为1/L²。自量子力学诞生之初，这一概念就已成为教科书的素材⁶。相关的波函数概念对于我们理解分子和晶体材料的电子结构、能带的弥散、带隙的形成以及块体材料的金属、半导体或绝缘特性的起源都是至关重要的⁷。

6 Condon, E. U.; Morse, P. M. Quantum Mechanics; McGraw-Hill, 1929.

7 Bloch, F. About the Quantum mechanics of Electrons in Crystal lattices. Z Phys 1929,

Herbert Fröhlich于1937年率先提出了"材料特性取决于小颗粒的宏观尺寸"这一概念。他指出，金属的自由电子气体模型⁸给出了小颗粒与大块金属截然不同的结果，这些差异应该表现为一种可测量的材料特性，即电子的比热。他估计，要观察到这种效应，需要小于10nm的金属颗粒和几开尔文的温度。

8 Sommerfeld, A. On the specific heat of metal electrons. Ann Phys-Berlin 1937

在随后的几十年里，许多研究人员对这种量子尺寸效应进行了进一步的理论研究。例如，在Landau早期研究的基础上，根据对材料特性随磁场变化而振荡的实验观察，Lifshitz和Kosevich预言了量子尺寸效应导致的热力学势的周期性。Kubo预言了量子尺寸效应对电子热容量以及金属中的自旋翻转过程的影响，并建议在低温下利用自旋共振实验观察这种效应。Sandomirskii指出，与金属相比，半导体中的量子尺寸效应应该更容易观测到，这是因为半导体中的有效电子质量较小，因此德布罗意波长较大。此外，量子尺寸效应还可导致半金属的导带边沿和价带边沿发生偏移，从而引起从金属特性向半导体特性的转变，这在光学特性中是可以观察到的⁹。

9 Lutskii, V. N.; Kulik, L. A. Features of Optical Characteristics of Bismuth Films under Conditions of Quantum Size Effect. Jetp Lett-Ussr 1968

20世纪60年代，微电子技术的发展激发了人们对薄膜电子特性的浓厚兴趣。在铋薄层和硅表面形成的二维电子气体中进行的实验中，量子效应表现为电阻率、霍尔电阻和磁阻的振荡与薄膜厚度的函数关系¹⁰。

10 Elinson, M. I.; Volkov, V. A.; Pinsker, T. N.; Lutskij, V. N. Quantum Size Effect and Perspectives of Its Practical Application. Thin Solid Films 1972

观察到的振荡周期与预期有效质量下的电子波长相匹配。研究发现，从能量上解决量子化效应的先决条件是低温和足够长的载流子弛豫时间。人们还认识到，由于载流子平均自由路径需要超过薄膜厚度d，因此需要高质量的材料。人们观察到CdS薄膜的光吸收系统性地依赖于1/d²，并与理论预测进行了比较¹¹。

11 Ogrin, Y. F.; Lutskii, V. N.; Elinson, M. I. Observation of Quantum Size Effects in Thin Bismuth Films. JETP Lett-USSR 1966

超高真空分子束外延技术（MBE）的发展与质谱技术相结合¹²，实现了对厚度和成分的精确控制，沉积出高质量的半导体薄膜，从而取得了质的突破。这使得在选择性化学蚀刻去除砷化镓基底之后，在薄薄的（<5nm）砷化镓量子井之间形成的砷化镓层中光学解析多个量子态成为可能¹³。这些观察结果受到了半导体物理学界的广泛关注，因为在此之前，人们一直认为不可能制造出具有足够质量的异质结构来如此清晰地观察量子现象。

12 Arthur, J. R. Interaction of Ga and As2 Molecular Beams with Gaas Surfaces. J Appl Phys 1968
13 Dingle, R. Quantum States of Confined Carriers in Very Thin Alxga1-Xas-Gaas-Alxga1-Xas Heterostructures. Phys Rev Lett 1974

到20世纪80年代初，对薄膜中量子现象的实验观察已经非常成熟。理论上也有了很好的理解，包括库仑相互作用（激子效应）的作用，这种作用在量子阱等低维结构中尤为明显，因为电子和空穴的波函数更容易重叠。

事实证明，半导体异质结构是高速和光电子学领域非常有用的材料系统，2000年诺贝尔物理学奖授予了开发半导体异质结构的H. Kroemer 和Z. I. Alferov。

然而，上述观察结果涉及的是镶嵌在大块材料内部或顶部的结构中的量子尺寸效应，这些结构本身不能被视为材料。Herbert Fröhlich首创的预言，即小颗粒应具有与尺寸相关的材料特性，尚未得到实验验证。

4 玻璃中的量子点

首次发现纳米粒子中量子尺寸效应是在彩色玻璃中实现的。从历史上看，玻璃制造商非常清楚，金、银、镉、硫和硒等掺杂剂可用于改变玻璃的光学特性。例如，通过控制掺杂剂的类型和数量以及玻璃熔化后热处理的细节，可以生产出具有不同截止频率的光学滤光片，即肖特玻璃¹⁴。

14 Efros, A. L.; Brus, L. E. Nanocrystal Quantum Dots: From Discovery to Modern Development. ACS Nano 2021

1979年，Alexei Ekimov开始在S.I.瓦维洛夫国立光学研究所研究掺杂玻璃。他的目标是了解有色玻璃中胶体粒子的化学成分和结构，以及它们的生长机理¹⁵。他和他的合作者利用在半导体物理学博士培训中熟悉的技术，测量了热处理硅酸盐玻璃的光学吸收光谱，其中铜和氯的添加量约为百分之几，超过了基质的溶解极限。在4.2K的低温下，研究小组发现激子线与在CuCl薄膜中观察到的激子线相似，但其形状随热处理细节而变化。研究人员将这一观察结果归因于热处理过程中过饱和溶液的相分解导致玻璃基质中形成了CuCl结晶相。

15 Ekimov, A.; Onushchenko, A. A.; Tsekhomskii, V. Exciton light absorption by CuCl microcrystals in glass matrix. Sov. Glass Phys. Chem. 1980

此外，通过改变热处理的温度和持续时间，他们还能控制玻璃熔体中形成的CuCl晶体的平均尺寸。他们利用小角X射线散射法测定了从几纳米到几十纳米的平均晶体尺寸，并证实晶体尺寸随热处理时间而变化，这与再凝结生长理论模型¹⁶的预期相符，该模型也预测了观察到的狭窄尺寸分布。

16 Lifshitz, I. M.; Slezov, V. V. Kinetics of Diffusive Decomposition of Supersaturated Solid Solutions. Sov Phys JETP-USSR 1959

最重要的是，观察到的铜猝灭子吸收线的波长随纳米晶体的大小而系统地变化：吸收线的位置在较小的晶体到几纳米的纳米晶体之间越来越蓝移¹⁷。Ekimov立即将这一观察结果归因于量子尺寸效应，并参考了几年前在 MBE生长的二维量子阱中观察到的量子尺寸效应。正如从量子力学教科书中对封闭在球形无限井中的单粒子的定性预期一样，吸收线随粒子平均半径a的倒平方移动（图 3）。这时，半导体量子点已经被发现。

17 Ekimov, A. I.; Onushchenko, A. A. Quantum Size Effect in Three-Dimensional Microscopic Semiconductor Crystals. JETP Lett+ 1981

图3 T = 4.2 K 时激子吸收线的光谱位置与玻璃中CuCl 纳米晶体平均半径a 的关系，以及吸收线能量的增加与a^-2的关系。A.I. Ekimov and A.A. Onushchenko, JETP Lett 1981,

需要对简单的教科书模型进行两项修正，以实现数据与理论之间的定量一致。首先是将电子和空穴之间的有吸引力的库仑相互作用（即所谓的激子效应）包括在内，众所周知，当电子和空穴被限制在同一空间时，这种效应会很强。因此，激子吸收线的光子能量hw的表达式如下：

这里，E_g是块体材料的半导体带隙，E_ex是激子结合能，M是电荷载流子有效质量。

第二项修正是考虑到粒子尺寸的有限分散性。这样做时，再现所观察到的数据斜率所需的M值与CuCl的已知值非常一致。

Ekimov对量子尺寸效应的最初观测被确定为在所谓的弱约束体系中，其特征是激子整体的量子尺寸效应，而不是电子和空穴的单独量子尺寸效应。Ekimov在玻璃基质中发现的半导体量子点表明，不仅在薄膜中，而且在通过相对简单的传统玻璃工艺生产的悬浮独立纳米粒子中，都有可能观察到深刻的量子尺寸效应。然而，Ekimov突破性发现的局限性在于，他团队制造的量子点被"冻结"在玻璃中，不适合进一步加工。

5 胶体量子点

在Ekimov发现量子点之后不久，又出现了一种通过溶胶-凝胶工艺合成胶体量子点的方法，这种方法适用于进一步加工。

20世纪70年代，人们对利用半导体进行光电化学反应产生了浓厚的兴趣，期望半导体的光激活能产生可驱动化学反应的活性电荷载流子。研究的一个重点是电子和空穴的光物理和表面氧化还原化学、通过光电解实现太阳能转换以及半导体和电解质界面的光伏技术¹⁸。

18 Nozik, A. J. Photoelectrochemistry - Applications to Solar-Energy Conversion. Annu Rev Phys Chem 1978,

一些研究小组致力于研究CdS、ZnO和TiO₂的胶体晶体，因为这些材料的能级可能适合光催化。例如，发现悬浮在液体中的TiO₂粉末能光催化醋酸分解产生甲烷¹⁹，而在含有RuO₂和Pt的共聚物中制备的CdS微电极则是裂解H₂O和H₂S的活性催化剂。

19 Kraeutler, B.; Bard, A. J. Heterogeneous Photocatalytic Synthesis of Methane from AceticAcid - New Kolbe Reaction Pathway. J Am Chem Soc 1978

1983年，Louis Brus合作者在研究CdS晶体时发现了胶体纳米粒子中量子尺寸效应的证据²⁰。他们使用以前已知的纳米颗粒合成方法，在苯乙烯/马来酸酐共聚物的存在下，在溶液中制备了相对较小的CdS颗粒，这种共聚物有助于防止凝结和絮凝。Brus及其合作者使用共振拉曼散射和吸收光谱来研究电子状态，发现新鲜颗粒和老化颗粒之间存在差异。较大的老化颗粒的激发光谱与块状CdS的激发光谱相似，而较小的新鲜颗粒则表现出激发子线的蓝移和拓宽。作者将大颗粒和小颗粒之间的这种差异归因于电子和空穴之间的静电作用所缓和的量子尺寸效应。

20 Rossetti, R.; Nakahara, S.; Brus, L. E. Quantum Size Effects in the Redox Potentials, Resonance Raman-Spectra, and Electronic-Spectra of Cds Crystallites in Aqueous-Solution. J Chem Phys 1983

从 Louis Brus及其合作者早期工作的参考书目中可以看出，这支美国团队知道早先在二维量子阱中观察到的量子尺寸效应，但不知道两年前苏联的Ekimov在玻璃基质中发现了半导体量子点。

Brus团队在实验中发现胶体纳米粒子的量子尺寸效应后，提出了一个模型来描述粒子尺寸对表面化学反应中电子和空穴氧化还原电势的影响。他们使用有效质量近似和球形模型电势，并考虑到半导体和溶液之间的介电常数差引起的周围溶液极化，预测了小于或约5nm的半导体晶体对光化学氧化还原电势和最低激子能量的量子尺寸效应。在不久之后的后续工作中，Brus还将电子和空穴之间的库仑相互作用纳入其中。

纳米粒子中的量子尺寸效应很可能在以前就已被观察到，但并未被认识到²¹。例如，20世纪60年代末对 AgBr49和AgI粉末的细粒悬浮液进行的研究显示，激子吸收系数的变化与晶体结构和晶粒尺寸有关，但没有关于吸收波长的系统尺寸依赖性观测或量子尺寸效应讨论的报道。在半径小于5nm并嵌入玻璃中的CdSe 纳米晶体中观察到的光吸收系统性大小依赖被归类为"光学异常"²²。观察到小CdS 颗粒的发光和拉曼光谱中存在大小依赖性偏移，这归因于量子尺寸效应，但没有与理论进行比较。

21 Berry, C. R. Structure and Optical Absorption of Agi Microcrystals. Phys Rev 1967

22 Katzschmann, R.; Optical-Anomaly of Small Particles in Glasses. Phys Status Solidi A 1977

Rossetti和Brus早在1982年就报道了20nmCdS 胶体粒子的带隙以上吸收。大约在同一时间，Henglein观察到沉积在13nmSiO₂上的胶体CdS的颜色变化。当时，他将这种效应归因于非晶体结构，但后来，在Brus发现之后，他确定了晶体结构，并将颜色变化归因于量子尺寸效应。

1986年的一篇综合评论列出了几篇可能在小金属纳米粒子中观察到量子尺寸效应的著作，包括奈特偏移和低温下磁感应强度的温度依赖性。然而，该综述得出结论，尚未观察到金属颗粒光学特性中的量子尺寸效应。

6 如何观察量子点？

透射电子显微镜（TEM）具有亚纳米的分辨能力，最高可达几十皮米，可用于识别纳米晶体或量子点的超结构。因此，TEM可用于量子点的形态研究，为了解量子点的形状、大小、分散性等提供结果。事实上，TEM已被广泛用作各种量子点的重要表征方法，尤其是碳量子点。

图4 SiSn 量子点的TEM图像，量子点是由准分子激光器（KrF，245 nm，20 Hz，10 ns）的脉冲聚焦（1.5 mm 光斑）在10%锡非晶硅靶上上产生。插图中的高分辨率 TEM 图像显示了量子点的结晶度和相应的晶格间距（左图）¹。CdTe-CA（cysteamine）量子点²的HR-TEM 图像（右图）

1 Ramos, Natalia S. M.Cysteamine-CdTe Quantum Dots Electrochemically Synthesized as Fluorescence Probe for Resveratrol[J].Food analytical methods, 2018

2 Askari S ,et al.Silicon-based quantum dots: synthesis, surface and composition tuning with atmospheric pressure plasmas[J].Journal of Physics D Applied Physics, 2015

图5 在氯仿溶液中均匀分散的CdSe量子点¹的高分辨率TEM图像（左）；CdSe/ZnS量子点（右图）

[1] Tang Y et al.Enhancement of Luminous Efficiency and Uniformity of CCT for Quantum Dot-Converted LEDs by Incorporating With ZnO Nanoparticles[J].IEEE Transactions on Electron Devices, 2017.

图6 赛默飞（Thermo Scientific） Talos F200X 电镜观察到的碳量子点（CQDs）高分辨像。CQDs在2006年首次发表，具有准球形形状，是直径一般小于10 nm的量子点。CQDs 的层间距在0.18至0.25 nm 之间，而石墨层间距在0.32至0.34 nm之间，甚至更大，石墨经过氧化处理。

7 量子点的合成方法改进

胶体纳米晶体（图7）中量子尺寸效应的发现激发了人们致力于了解其光学和光化学特性的大量研究工作，希望能够利用尺寸设计出理想的物理和化学特性²³。然而，现有纳米晶体的均匀性和质量有限，尺寸、形状、结晶度和表面电子缺陷各不相同，这在一定程度上阻碍了研究的进展，导致难以分离出固有的尺寸依赖行为。

23 Wang, Y.; Herron, N. Nanometer-Sized Semiconductor Clusters - Materials Synthesis, Quantum Size Effects, and Photophysical Properties. J Phys Chem-Us 1991

图7. 量子点示意图。左图：CdSe纳米晶体的透射电子显微镜图像。中间：纳米晶体的原子结构。右图：核壳量子点中的电子状态，点本身位于中心，由宽带隙壳包围。A. L. Efros and L.E. Brus, ACS Nano (2021)

1993年，Moungi Bawendi及其合作者开发出一种合成量子点的方法，这种量子点的尺寸控制更加准确，光学质量更高²⁴。合成首先是将有机金属试剂（所需纳米粒子的前驱体）注入高沸点的热配位溶剂并立即热解。试剂浓度的快速增加会导致突然过饱和，并在确定的时刻形成晶核。注入的同时，温度会突然下降，前驱体会被稀释，从而停止生长。然后再重新加热到所需的生长温度，在配位溶剂中进行缓慢的生长和退火过程，这有助于稳定所形成的胶体分散体。

24 Murray, C. B.; Norris, D. J.; Bawendi, M. G. Synthesis and Characterization of Nearly Monodisperse Cde (E = S, Se, Te) Semiconductor Nanocrystallites. J Am Chem Soc 1993

在生产单分散疏水性胶体的过程中，我们已经了解了这种先离散成核再控制生长的原理²⁵。最后，可以通过纯化和尺寸依赖性沉淀来选择颗粒，从而获得具有规则核心结构和形状、一致的表面钝化和电子钝化半导体表面、以及由生长阶段的动态温度控制决定的精确尺寸的大量纳米颗粒。在室温下观察到相对清晰的光吸收（图8）和发射光谱，发光量子产率高达10%。通过在生长过程中移除等分试样，可以在一次生长过程中获得整个系列的颗粒尺寸。

25 Lamer, V. K.; Dinegar, R. H. Theory, Production and Mechanism of Formation of Monodispersed Hydrosols. J Am Chem Soc 1950

图8 分散在正己烷中的碲化镉（CdSe）纳米晶体的室温光学吸收光谱，其尺寸从~12 Å 到 115 Å 不等。C.B. Murray, D.J. Norris, and M.G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc. 115, 8706 (1993).

Bawendi及其合作者开发的热注入合成方法是一种适应性强、可重复的化学策略，可用于合成单分散纳米粒子，并可用于多种材料体系。因此，它为量子点的大规模应用开发打开了大门。

8 量子点的进一步发展

Ekimov发现的嵌入玻璃中的半导体量子点至今仍可用作非线性光学元件，例如用于光纤通信系统中的信号放大²⁶。

26 Xia, M. L.; Luo, J. J.; Chen, C.; Liu, H.; Tang, J. Semiconductor Quantum Dots-Embedded Inorganic Glasses: Fabrication, Luminescent Properties, and Potential Applications. Adv Opt Mater 2019, 7 (21)

在Ekimov和Brus发现量子点之后，人们又用其他方法生产出了量子点。量子点这一名称是由Mark-Reed于1986年提出的，用来描述一种完全封闭的零维物体，是一种自上而下定义固体量子点的方法。他的团队使用电子束光刻和蚀刻技术，将MBE生长的砷化镓/砷化镓量子阱图案化，形成量子点。

"量子点"沿用了二维量子阱和一维量子线的现有术语。在固体衬底上制造量子点的另一种方法是所谓的Stranski-Krastanov生长法。这种方法是利用一种材料在不匹配晶格的基底上沉积时形成的"岛"或"液滴"。如上所述，异质结构量子点嵌入其他材料的固体基质中，可以进行电接触；它们可用于多种应用，例如用于光通信的量子点激光器²⁷。

27 Arakawa, Y.; Sakaki, H. Multidimensional Quantum Well Laser and TemperatureDependence of Its Threshold Current. Appl Phys Lett 1982

如今，"量子点 "指的是一种纳米结构，在这种结构中，量子力学效应通过量子尺寸效应、多体相互作用（激子态）或高表面-体积比（表面态主导电子结构）体现在电子结构中。除了与载流子的德布罗格里波长相当的小尺寸外，现在人们还认识到量子相干长度（通常受非弹性散射的限制）需要超过系统尺寸。

Brus和Bawendi及其同事发现了胶体量子点并对其进行了可控合成，这为进一步改善胶体量子点的质量和光学特性，以及探索发光二极管等可能的应用做出了巨大努力。核壳纳米粒子由宽带隙外壳（如ZnS）组成，将电子和空穴限制在小带隙内核（如CdSe）中。这样，核心中的电荷载流子就与表面态（如不饱和键）分离开来，而表面态对光学性能是有害的。通过修改热注入合成方法以避免尺寸选择性沉淀，从而实现近乎单分散纳米晶体的合成，在同一反应中添加这样一个附加层成为可能。与无封帽量子点相比，所得到的CdSe/ZnS 核壳量子点在室温下的发光量子产率高达50%，并且具有更好的长期稳定性，漂白现象也有所减少²⁸。

28 Hines, M. A.; Guyot-Sionnest, P. Synthesis and characterization of strongly luminescing ZnS-Capped CdSe nanocrystals. J Phys Chem-Us 1996

随着具有高光学质量的水溶性量子点的合成，无机量子点与生物系统的整合成为可能。这一成就非常重要，因为在此之前，发光量子点都是在有机非极性溶剂中制备的。

核壳量子点有两种实现水溶性的方法。一种方法是添加第三层二氧化硅，以便使用聚硅烷进一步官能化²⁹。另一种方法是使用双功能配体--具有硫醇和羧酸末端的分子--来改变ZnS外壳硒化镉量子点的极性。硫醇基团与量子点上的锌结合，置换出有机配体，并暴露出极性羧酸基团，从而使量子点具有水溶性³⁰。这两种方法还可以与蛋白质、肽和核酸等功能性生物大分子进行共价偶联。这种功能化量子点保留了其大部分优越的光学特性，为细胞内外的生物分子标记提供了一种新工具，具有更好的稳定性和更宽的激发和发射波长范围。

29 Bruchez, M.; Moronne, M.; Gin, P.; Weiss, S.; Alivisatos, A. P. Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels. Science 1998

30 Chan, W. C. W.; Nie, S. M. Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection. Science 1998

随后的工作广泛扩展了量子点的范围，包括探索不同的材料和改进对生长过程的理解、合成具有拉长形状或分支的量子棒以及具有原子尺度厚度控制的小板。量子点的应用领域已得到广泛探索，包括用于光伏和其他形式的能量转换、光电探测器、生物医学成像和纳米医学以及一般红外技术^31-32 ，在这些领域中，量子点可进入其他材料难以进入的带隙范围。

31 Lu, H. P.; Carroll, G. M.; Neale, N. R.; Beard, M. C. Infrared Quantum Dots: Progress, Challenges, and Opportunities. ACS Nano 2019

32 Lu, H. P.; Huang, Z. Y.; Martinez, M. S.; Johnson, J. C.; Luther, J. M.; Beard, M. C. Transforming energy using quantum dots. Energ Environ Sci 2020

一个重要的考虑因素是某些量子点及其前体材料的毒性。量子点对健康的影响已被探讨过，尤其是在潜在的医疗应用方面，目前的研究工作旨在找到毒性较低的试剂生产工艺，并找到完全避免在量子点中使用镉、铅或汞等重金属的方法。

9 量子点——纳米科学发展的里程碑

量子点的发现是纳米科学发展的重要一步，它激发了许多化学家投身于这一跨学科领域。

纳米科学是关于研究当材料在小于约100nm的尺度上被结构化或图案化时发生的现象。这一尺寸范围包括诸如光的波长、电荷载流子的de Broglie波长、发生质子共振的尺寸以及大型生物分子的尺寸。纳米结构还具有相对于其体积的巨大表面积，这也会带来新的特性。纳米技术就是要利用这些新特性来提高材料的性能或实现全新的应用。

相关现象种类繁多，可探索的材料和应用范围广泛，这使得纳米科学成为一个包含许多不同分支的非常丰富的领域。纳米技术利用半导体物理学、有机和无机化学、分子生物学和生物技术的工具。其应用范围从现代电子学到工业规模的催化，从精密医学到量子技术。今天，大多数大型研究型大学都设有纳米科学和纳米技术中心。

从某种意义上说，纳米技术和纳米微粒的应用已有数百年历史。例如，古希腊罗马时期的一种头发变黑方法被证明是通过在头发皮层内形成5nm的PbS纳米晶体而起作用的，而著名的罗马Lycurguscup则被证明其红色是由大小在5-60 nm范围内的金微粒包裹而成的³³。人们也早已知道，在非晶态过饱和溶液中的硅酸盐玻璃中添加CdS或CdSe使玻璃着色是由于晶粒的成核和生长，而且玻璃的颜色可以通过改变合成和退火程序而改变³⁴。

33 Nishi, H.; Tatsuma, T. Full-Color Scattering Based on Plasmon and Mie Resonances of Gold Nanoparticles Modulated by Fabry-Perot Interference for Coloring and Image Projection. ACS Appl Nano Mater 2019

34 Rooksby, H. P. The Colour of Selenium Ruby Glasses. J. Soc. Glass Techn 1932

然而，现代纳米科学领域要求对纳米结构的合成进行精确和理想的原子级控制。因此，在化学批量反应中安全地制造出纳米尺寸、亚纳米精度和高保真材料的能力，是纳米科学领域发展的一个重要里程碑。今年的获奖者在建立这些能力方面发挥了核心作用，从而为纳米科学领域的发展提供了种子。

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