量子點的發(fā)展歷程

　　量子點(Quantum Dots)是指空間三個維度上存在量子限域效應的半導體納米晶材料，又被稱作“人造原子”。量子點材料的粒徑一般介于1-10nm，由于電子和空穴被量子限域，連續(xù)的能帶結構變成分立能級結構，由此帶來了發(fā)光光譜窄(20-30nm)，色度純高，色域廣等優(yōu)勢。

　　在當今納米研究領域，量子點算是明星材料之一。量子點技術的起源要追溯到上世紀70年代中期，最初它是為了解決全球能源危機而發(fā)展起來的。目前，量子點的發(fā)展主要分為以下四個階段：

　　第一階段：

　　1983年，Bell實驗室的Brus首次報道了CdS納米晶具有尺寸效應等相關的性質，拉開了量子點研究的序幕[1]。

　　1993年，MIT的Bawendi教授和其學生Murray、Norris在JACS上發(fā)表了制備高質量CdE(E=Se、Te、S)的合成方法[2]，對于均一形貌量子點制備進行了探究。這一階段的量子點納米晶都是通過共沉淀法制備得來的。這種納米晶由于尺寸分布不均勻，且表面缺陷較多，難以得到實際的應用。

　　第二階段：

　　1994年，Alivisatos教授在Nature上發(fā)表了利用CdSe量子點構建發(fā)光二極管(LED)的文章[3]，開啟了量子點在光電轉換領域應用的密碼。

　　1998年，Alivisatos教授[4]和聶書明[5]教授各自同時在Science上撰文，將水溶性的量子點應用于生物醫(yī)學領域，證實量子點在這一領域大有可為。Science雜志把這兩篇文章放在同一期中一前一后發(fā)表，這就是量子點研究領域著名的“2013和2016”事件。

　　第三階段：

　　2001年，彭笑剛教授實現(xiàn)了高質量量子點的簡單、大規(guī)模的合成[6]，將量子點帶到了全世界的普通實驗室中，讓更多的研究員進行研究。為之后量子點的飛速發(fā)展奠定了基礎。同年，聶書明教授和其學生韓明勇在Nature Biotechnology發(fā)表了利用量子點進行多色標記和編碼方面的工作，實現(xiàn)了一直以來利用熒光編碼的夢想。

　　2002年，Alivisatos教授首次將量子點的應用拓展至太陽能電池領域。雖然基于量子點的太陽能電池還沒有代替染料敏華太陽能電池，轉化效率也不及染料。同年，德國的Weller課題組在JPCB上發(fā)表了水相合成CdTe量子點的文章，進一步降低了量子點的合成要求，讓CdTe量子點走進了亞洲(尤其是中國)的實驗室中[7]。但只能用于高質量的CdTe的合成，且在晶體質量、發(fā)光強度、穩(wěn)定性方面都遜于有機相中合成的量子點。

　　2003年，Larson等人在Science上報道了量子點的多光子發(fā)射性質，這樣在熒光成像的時候可以完全避開生物組織的背景熒光[8]。

　　2004年，聶書明和高小虎在Nature Biotechnology上報道量子點在活體腫瘤成像方面的應用[9]。同年，Bhatia在Nano Letter上報道了量子點的生物毒性[10]。這篇文章不但給對量子點狂熱的人們敲了一個警鐘，同時開啟了另外一個研究熱點：納米材料的生物毒性;也是標志著量子點的研究趨于理性：看到其優(yōu)勢的同時，也考慮到其生物兼容性等。

　　2004年開始，多位科學家報道了CuInS、InP/ZnSe、 MnSe/ZnSe、Si、C等無重金屬離子量子點的研究。

　　第四階段：

　　2005年，Michalet[11]和 Medintz、Mattoussi[12]分別綜述了量子點在生物傳感、標記和成像領域的應用。

　　2012年，新加坡南洋理工大學Luminous!實驗室研發(fā)了CdS納米晶體的白光QD-LED，制備了覆蓋所有可見光波段范圍的InP/ZnS無鎘量子點[13]。

　　綜上所述，未來更綠色、更低毒、兼容性更強、發(fā)光效率更高的量子點材料將成為量子點研究的主要方向。改變量子點材料的顆粒尺寸即可實現(xiàn)整個可見光譜區(qū)的覆蓋，將不同尺寸的量子點按照一定比例混合，即可實現(xiàn)類似于太陽光的自然光色，得到較高的顯色指數(shù)。量子點材料在提高色彩飽和度與顯色指數(shù)的同時，還能降低顯示與照明的功耗，必將成為下一代顯示與照明用核心關鍵光轉化材料。(作者：張敏)

　　參考文獻：

　　[1]R.Rossetti，S.Nakahaha，L.E.Brus.Quantum size effects in the redoxPotentials，

　　resonance Raman spectra，and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solution[J].The Journal of Chemical Physics，1983，79：1086.

　　[2]C.B.Murray，D.J.Norris，M.G.Bawendi.Synthesis and Characterization of Nearly Monodisperse CdE(E=S，Se，Te) Semiconductor Nanocrystallites[J].J.Am.Chem.Soc.

　　1993，115，8706-8715.

　　[3]V.L.Colvin，M，C， Schlamp&A.p.ALivisatos. Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer[J]. Letters to Nature，1994，Nature 370，354-357.

　　[4]MB Jr，APAlivisatos. Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological labels[J].Science， 1998，281 (5385) ：2013

　　[5]Chan WC， Nie S. Quantum Dot Bioconjugates for Ultrasensitive NonisotopicDetection[J]. Science (New York， N.Y.) ， 1998 ， 281 (5385) ：2016

　　[6]ZA Peng， X Peng. Formation of High-Quality CdTe， CdSe， and CdS Nanocrystals Using CdO as Precursor[J]. Journal of the American Chemical Society， 2001， 123 (1) ：183-4.

　　[7]NikolaiGaponik，DmitriV.Talapin， HorstWeller， Thiol-Capping of CdTe

　　Nanocrystals：An Alternative to Organometallic Synthetic Routes[J].J.Phys.Chem.

　　B2002，106，7177-7185.

　　[8]Larson DR， Zipfel WR， Williams RM. Water-Soluble Quantum Dots for Multiphoton fluorescence imaging in vivo[J].Science. 2003 30;300(5624)：1434-6.

　　[9]GaoX. H.， CuiY. Y.， Levenson R. M， et.al..In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots[J]. NatureBiotechnol.， 2004， 22， 969-976.

　　[10]Derfus A. M.， Chan W. C. W.， Bhatia S. N. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots[J]. Nano Letter， 2004， 4， 11-18.

　　[11]Michalet X， Pinaud FF， BentolilaLA，et.al..Quantum Dots for Live Cells， in Vivo Imaging， and diagnostics[J].Science， 2005 Jan 28;307(5709)：538-44.

　　[12]Medintz IL， Uyeda HT， Goldman ER，et.al.. Quantum dot bioconjugates for imaging， labeling and sensing[J].Nature Materials. 2005 Jun;4(6)：435-46.

　　[13]X Yang， ST Tan， XW Sun，et.al..High-quality InP/ZnS nanocrystals with high photometric performance and their application to white quantum dot light-emitting diodes[J].Photonics Conference ， 2012 ， 98 (5) ：758-759.