量子點發(fā)光研究—從材料到應用
2023年10月4日，瑞典皇家科學院宣布，美國麻省理工學院的蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美國納米晶體科技公司的阿列克謝·�；颍ˋlexei I. Ekimov）和美國哥倫比亞大學的路易斯·布魯斯（Louis E. Brus）榮膺2023年諾貝爾化學獎，表彰他們 “發(fā)現(xiàn)和合成量子點”的科學貢獻。
量子點是什么？
其實量子點是一類微小顆粒或納米晶體，其三個維度上的尺寸都不大于其對應的半導體材料的激子玻爾半徑的兩倍。量子點一般為球形或類球形，其直徑常在2-20 nm之間。簡單來講，量子點是把導帶電子、價帶空穴及激子(電子-空穴對)在三個空間維度上束縛住的半導體納米結構。常見的量子點由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素組成。
量子點顯示出獨特的電子性質，介于宏觀半導體和離散分子之間。其獨特性質一部分是由于這些粒子具有異常高的表面積/體積比所造成的。由此造成的最明顯的結果是熒光性，而發(fā)出的光的頻率會隨著量子點尺寸的改變而變化，也就是納米晶體可以產(chǎn)生由顆粒尺寸所確定的獨特顏色。
量子點有哪些性質？
（1）量子點的發(fā)射光譜可以通過改變量子點的尺寸大小來控制。通過改變量子點的尺寸和它的化學組成可以使其發(fā)射光譜覆蓋整個可見到近紅外光區(qū)。
（2）量子點具有很好的光穩(wěn)定性。量子點的熒光強度比最常用的有機熒光材料“羅丹明6G”高20倍，它的穩(wěn)定性更是“羅丹明6G”的100倍以上。因此，量子點可以對標記的物體進行長時間的觀察，這也為研究細胞中生物分子之間長期相互作用提供了有力的工具。
（3）量子點具有寬的激發(fā)譜和窄的發(fā)射譜。使用同一激發(fā)光源就可實現(xiàn)對不同粒徑的量子點進行同步檢測，因而可用于多色標記，極大地促進了在熒光標記中的應用。此外，量子點具有窄而對稱的熒光發(fā)射峰，且無拖尾，多色量子點同時使用時不容易出現(xiàn)光譜交疊。
（4）量子點具有較大的斯托克斯位移。量子點不同于有機染料的另一光學性質就是寬大的斯托克斯位移，這樣可以避免發(fā)射光譜與激發(fā)光譜的重疊，有利于熒光光譜信號的檢測。
（5）生物相容性好。量子點經(jīng)過各種化學修飾之后，可以進行特異性連接，其細胞毒性低，對生物體危害小，可進行生物活體標記和檢測。
（6）量子點的熒光壽命長。有機熒光染料的熒光壽命一般僅為幾納秒（這與很多生物樣本的自發(fā)熒光衰減的時間相當）。而具有直接帶隙的量子點的熒光壽命可持續(xù)數(shù)十納秒（20-50 ns)。這樣在光激發(fā)情況下，大多數(shù)的自發(fā)熒光已經(jīng)衰變，而量子點的熒光仍然存在，此時即可得到無背景干擾的熒光信號。
應用前景
量子點和傳統(tǒng)發(fā)光材料有很大的區(qū)別，以優(yōu)越的光學特性而令人矚目�；诹孔狱c的多種物理效應(如量子尺寸效應、表面效應、介電限域效應、量子隧穿效應、庫侖阻塞效應等)，量子點在太陽能轉換、發(fā)光和顯示器件、光電探測、催化、分子和細胞標記及超靈敏檢測等領域有許多潛在的應用。
光學方面應用實例包括用于發(fā)光二極管(LED)和固態(tài)照明、顯示器和光伏領域。量子點的小尺寸也意味著電子不必像在較大的粒子上時需要進行移動，因此電子設備可以完成更快的操作。利用這些獨特電子特性的應用實例包括光電導體、光電探測器、太陽能電池、超快全光開關、邏輯門以及量子計算等。量子點的小尺寸、高發(fā)光、窄發(fā)射、低毒性和生物相容性（取決于元素組成）使其成為生物成像、診斷和生物傳感應用的完美候選者。
針對于量子點的發(fā)光特性的研究，譜鐳光電有以下設備適合于相關應用：
高靈敏的微型光纖光譜儀QEpro：它是具有低雜散光性能的高靈敏度光譜儀。它是各種弱光應用的理想選擇，例如熒光、DNA測序和拉曼測量。
EQY量子效率測試系統(tǒng)：針對于量子點發(fā)光材料或器件，其發(fā)光量子效率是非常重要的，我們基于光纖光譜儀的量子點和新型發(fā)光材料特性測試方案是一套綜合了PL，EL測試功能為一體的OLED，量子點，鈣鈦礦等材料特性測試方案。
其測試優(yōu)勢在于：
- 體積小巧 — 便于靈活使用及運輸
- 原位測量 — 可放置在手套箱內(nèi)，實現(xiàn)原位測量
- 操作簡單 — 設備無需頻繁校準
- 結果準確 — 使用NIST溯源的輻射校準
- 測試高效 — 自動測量和遠程控制，一次多樣品測試
- 結果清晰 — 專用軟件內(nèi)嵌計算算法，直接得到測試結果
- 測試范圍 — 兼容較寬亮度范圍器件，從0.01 nit 到4*10⁶ nit
顯微光譜系統(tǒng)：針對于較小樣品的量子點材料或器件，使用顯微光譜可更精確地觀測樣品在微觀情況下的各種性質。顯微光譜測量系統(tǒng)集成熒光、拉曼和反射光譜測量功能。通過把光譜模塊集成到顯微鏡上，實現(xiàn)顯微熒光、拉曼和其他光譜信息的測量。系統(tǒng)由光譜儀、激光器、光源、顯微鏡等部分構成，自由靈活，幫助用戶快速對樣品微觀結構，微觀光譜信息的測試和分析；此外系統(tǒng)可以加裝二維電控掃描臺，通過軟件控制，實現(xiàn)光譜二維掃面測量功能。
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