量子点发光研究—从材料到应用

2023年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，美国麻省理工学院的蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美国纳米晶体科技公司的阿列克谢·埃基莫夫（Alexei I. Ekimov）和美国哥伦比亚大学的路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus）荣膺2023年诺贝尔化学奖，表彰他们 “发现和合成量子点”的科学贡献。

量子点是什么？

其实量子点是一类微小颗粒或纳米晶体，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20 nm之间。简单来讲，量子点是把导带电子、价带空穴及激子(电子-空穴对)在三个空间维度上束缚住的半导体纳米结构。常见的量子点由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素组成。

量子点显示出独特的电子性质，介于宏观半导体和离散分子之间。其独特性质一部分是由于这些粒子具有异常高的表面积/体积比所造成的。由此造成的最明显的结果是荧光性，而发出的光的频率会随着量子点尺寸的改变而变化，也就是纳米晶体可以产生由颗粒尺寸所确定的独特颜色。

量子点有哪些性质？

（1）量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见到近红外光区。

（2）量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。

（3）量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了在荧光标记中的应用。此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。

（4）量子点具有较大的斯托克斯位移。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。

（5）生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。

（6）量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒（这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当）。而具有直接带隙的量子点的荧光寿命可持续数十纳秒（20-50 ns)。这样在光激发情况下，大多数的自发荧光已经衰变，而量子点的荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。

应用前景

量子点和传统发光材料有很大的区别，以优越的光学特性而令人瞩目。基于量子点的多种物理效应(如量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应等)，量子点在太阳能转换、发光和显示器件、光电探测、催化、分子和细胞标记及超灵敏检测等领域有许多潜在的应用。

光学方面应用实例包括用于发光二极管(LED)和固态照明、显示器和光伏领域。量子点的小尺寸也意味着电子不必像在较大的粒子上时需要进行移动，因此电子设备可以完成更快的操作。利用这些独特电子特性的应用实例包括光电导体、光电探测器、太阳能电池、超快全光开关、逻辑门以及量子计算等。量子点的小尺寸、高发光、窄发射、低毒性和生物相容性（取决于元素组成）使其成为生物成像、诊断和生物传感应用的完美候选者。

针对于量子点的发光特性的研究，谱镭光电有以下设备适合于相关应用：

高灵敏的微型光纤光谱仪QEpro：它是具有低杂散光性能的高灵敏度光谱仪。它是各种弱光应用的理想选择，例如荧光、DNA测序和拉曼测量。

EQY量子效率测试系统：针对于量子点发光材料或器件，其发光量子效率是非常重要的，我们基于光纤光谱仪的量子点和新型发光材料特性测试方案是一套综合了PL，EL测试功能为一体的OLED，量子点，钙钛矿等材料特性测试方案。

其测试优势在于：

• 体积小巧 — 便于灵活使用及运输
• 原位测量 — 可放置在手套箱内，实现原位测量
• 操作简单 — 设备无需频繁校准
• 结果准确 — 使用NIST溯源的辐射校准
• 测试高效 — 自动测量和远程控制，一次多样品测试
• 结果清晰 — 专用软件内嵌计算算法，直接得到测试结果
• 测试范围 — 兼容较宽亮度范围器件，从0.01 nit 到4*10⁶ nit

显微光谱系统：针对于较小样品的量子点材料或器件，使用显微光谱可更精确地观测样品在微观情况下的各种性质。显微光谱测量系统集成荧光、拉曼和反射光谱测量功能。通过把光谱模块集成到显微镜上，实现显微荧光、拉曼和其他光谱信息的测量。系统由光谱仪、激光器、光源、显微镜等部分构成，自由灵活，帮助用户快速对样品微观结构，微观光谱信息的测试和分析；此外系统可以加装二维电控扫描台，通过软件控制，实现光谱二维扫面测量功能。

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