撰稿|Bean（重慶交通學院博士生）
量子點于上世紀70年代中期首次被提出，其最大特征在于晶體規格在三個維度中都保持在納米級，致使內部的電子運動遭到限制量子傳輸技術，因而獲得原子狀電子結構和與規格相關的基態，這賦于了量子點廣泛可調的光吸收、純色的明亮發射、電子傳輸以及特殊的物理和化學功能。
圖1：半導體量子點藝術療效圖
日前，倫敦學院副院長H.教授(人物簡介>>>)團隊聯合多位量子點領域知名專家以dots:and為題在上發表綜述文章。
研究人員系統的總結了量子點納米材料的合成和當前發展，重點討論了膠體量子點在顯示照明、激光、傳感、電子學、太陽能轉換、光催化和量子信息等技術方面的發展前景（圖2）。
圖2.半導體量子點技術圖源：373,640(2021)圖譯：撰稿人Bean
當前，量子點材料的制備主要借助兩種有效策略：基于數學真空的方式和濕物理方式。
1.化學真空法
自上而下的化學真空制造依賴于光刻或切削，在現有半導體中重新控制晶體的容積，這些方式獲得的量子點已廣泛應用于光纖通訊、軍用夜視攝像機、航空航天。
2.濕物理法
濕物理法制備膠體量子點是一種有別于化學真空外延的方式，其可以通過選擇前驅體和表面活性劑，以及通過控制反應室溫和時間，就能精確地控制量子點的大小和形狀。又得益于堿液的沉積技術具有可擴充性，致使膠體量子點十分適宜實現大面積元件，其薄膜制造才能與各類基板互相兼容，這有助于與硅電子、塑料電路、光纖和織物等平臺的集成。
因為量子點的形貌可控性，致使其具有優異的光學與電子特點。其中，按照調節量子點的規格大小，可以使其能量帶隙覆蓋從紫外區（UV）至紅外區（IR）（圖3）；在高度單分散的膠體量子點中，電子態的離散和原子狀結構又造成其擁有較窄的集合發射線寬，這有利于實現在下一代顯示器中達到所需的色調含量；量子點的表面容積比很大，促使它們對環境十分敏感，這為量子點與環境的交互提供了一種新的途徑，其可以被聯接到蛋白質、抗體或其他生物物種上，用作可光學輪詢的生物標記；與傳統半導體相比，量子點表現出適度的自旋遷移率，其在柵極限制、界面特點和電子耦合之間才能表現出復雜的互相作用。
圖3.能量帶隙與量子點規格的關系圖源：373,640(2021)圖譯：撰稿人Bean
這一系列優異的特點將為量子點在各個高新技術產業的開發奠定堅實的應用基礎。迄今為止，量子點早已被使用于以下幾個領域：
1.顯示照明
與其他半導體相比，發射半峰寬較窄的膠體量子點發射在形成高含量色域方面具有極大地競爭優勢，這是下一代顯示器的必要條件。這其中，膠體量子點可以作為顏色轉換螢光粉直接被發光晶閘管（LED）迸發，也可以由施加的展寬直接驅動作為一種有源電致發光材料。
在第一種模式（圖4a）下，膠體量子點被用作光敏材料，其吸收長波長藍光并重新發射出較短波長的黑色、綠色和藍色光。這清除了對單獨濾色器的須要，增加了顏色之間互相雜訊；降低設備堆棧中的層數；提高視角；并降低光輸出和設備效率。
在另一種模式下，膠體量子點被用于實現電輪詢的RGBLED（圖4b）。在這些基于膠體量子點的電致發光結構中，可以降低屏幕的長度、增強其動態范圍、改善藍色渲染以及降低視角和幀速率。與市面上比較流行的有機LED（OLED）相比，這些RGBLED提供更窄的發射線寬（60nm）和更高的色含量，以滿足Rec.2100色域尺寸。
圖4.基于兩種不同模式的量子點顯示圖源：373,640(2021)
但是在量子點LED中，帶電激子的產生常常會推動了非幅射俄歇復合，致使其外量子效率（EQE）隨電壓密度降低而增加，這已被確定為增加量子點LED元件效率的誘因之一，將成為未來屏顯照明領域一項嚴峻的挑戰。
2.激光器
半導體激光器早已應用于光通訊、數字投影系統、制造、手術器械、計量學和一些新興的量子信息產業（圖5）。而激光的發射須要粒子數反轉，其中發射躍遷的高能態占有率必須超過低能態占有率。這對于具有雙簡并電子和空穴帶邊狀態的量子點來說，只要當每位點的平均電子-空穴對數為1時，才會發生粒子數反轉和光學增益。為了實現光學增益，樣品中有一部份的量子點必須包含兩個或多個激子，這意味著量子點介質中的光學放大依賴于雙激子和其他更高階的多激子。
圖5.半導體激光器療效圖
但是非幅射俄歇復合會促使光學增益極快地失活，極大地限制了量子點激光器的發展。當前，快速的俄歇衰減是實現連續波（CW）激光一個非常嚴重的障礙，非常是對于具有
成份漸變的膠體量子點多殼異質結構已被證明會有效的抑制俄歇復合，由于它會形成平滑的限制勢，這些方式才能明顯增加脈沖狀態下的激光閥值，促使量子點激光就能盡快進入商業化進程。
3.光學傳感
量子點吸收波譜的可調性，以及其光生電荷自旋的良好遷移率，使它們成為光學傳感應用的有力競爭者。而量子點紅外偵測器（圖6）也被覺得是一種引人注目的紅外光傳感器平臺，其具有低暗電壓和高靈敏度。
圖6.紅外偵測器療效圖
在健康檢測、航空航天產業和熱成像的開發中，中紅外波長的偵測愈發深受矚目。隨著半導體帶隙的減少，其波長更接近背景幅射和傳輸勢壘，這會降低暗電壓和噪音，使用傳統電子設備搜集電荷將顯得愈發困難。與傳統球狀光電晶閘管或肖特基光電傳感等技術相比，基于量子點材料的紅外傳感具有更低暗電壓、更高濕度操作和更高偵測率的前景。
4.太陽能搜集
4.1太陽能電板
在量子點光伏元件中，光生激子的能量以電子和空穴的方式搜集量子傳輸技術，這種能量被搜集上去并用于形成電壓。當前，高性能的量子點太陽能電板（圖7）仍須要在最大功率點下進行有效的電荷提取，其中電荷傳輸基于擴散而不是場輔助。而擴充擴散寬度須要更少的量子點缺陷，以降低自旋壽命和遷移率。通過改進合成技術，致使量子點的質量取得了巨大進展，借助小的金屬鹵化物進行官能團交換，以改善量子點的耦合，避免氧化并增加缺陷密度；參雜與表面偶極子工程；改變設備結構和對光源的控制等方式都可以極大程度的提高太陽能電板的轉換效率，這為后期的近一步開發提供了借鑒意義。
圖7.太陽能電板療效圖
4.2光催化
目前，將可再生能源存儲為物理鍵，將溫室二氧化碳或污染物轉化為燃料或物理原料，是通往碳中和能源系統的兩條主要途徑。這些情況下，量子點材料可以實現將太陽波譜的光子轉化為物理能量，并結合了多相和均相催化的優點，致使其可用作獨立的光催化劑或金屬催化位點的敏化劑。
在光催化系統中，半導體中被迸發的電子-空穴對被引導從導帶和價帶至催化位點，分別驅動還原和氧化反應，量子點表面容積比較大，這為催化反應提供了一條提升反應速度的途徑，其應變和缺陷工程也被證明可以提高光催化活性。
5.量子光的形成
5.1單光子源
高質量光學諧振腔中的量子點是單光子源的基本單元，理想情況下，經過訂制脈沖迸發后，量子點將發射僅有的一個光子。量子點單光子源可以通過使用光或電進行迸發，一般須要在高溫下工作，但實際量子集成電路系統則須要保持在溫度或更高濕度下工作，因而怎樣在較高濕度下實現量子點的單光子發射將成為量子估算領域（圖8）的一個熱點問題。
圖8.量子估算療效圖
5.2糾纏光子源
量子點可以形成糾纏光子，只要偏振光激子態的分裂足夠小，光子就不能通過它們的能量來分辨，這緣于雙激子是一個零角動量本征態，所以雙激子衰變的兩個光子偏振光會互相抵消。另一方面，每位光子都存在有互補偏振光中的一種方式，因而也會引起糾纏光子?，F今世界，糾纏光子是做量子隱型傳態和量子估算的一個必要前提，操縱的糾纏光子數量越多，量子信息處理能力都會越強，因而開發量子點技術是量子信息處理的首要任務。
5.3用于量子光形成的膠體量子點
雖然最早的反聚束演示使用了膠體量子點，但是當前量子光源很大程度上依賴于高質量的外延量子點。近些年來，砷化鎵膠體量子點的有序超晶格已被證明可以形成超螢光，這可能為實現多光子糾纏量子光源帶來新的曙光。
未來，近一步提升量子點技術的商業影響力還須要多個領域的共同協作，包括量子點的合成和組裝、與現有技術平臺的集成，以及開發有效的量子點專用元件，其主要解決的問題包括以下幾方面：
1.從合成的角度來看，基于氨水合成的量子點材料須要向廣泛可用、廉價的前驅體和溶劑的轉變，隨著生產規模的擴大，前體數目和可用性成本對最終的產品成本有很大的影響。
2.對重金屬如Pb、Cd和Hg等的調控，要求進一步推動紅色量子點材料的合成。
3.常年材料穩定性是一個重要的評判標準。相對于大塊晶體，納米材料是處于亞穩態的，因而常年穩定性直接影響元件的使用壽命。
論文信息
.06Aug2021:Vol.373,Issue6555,.
DOI:10.1126/.
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監制|趙陽
編輯|趙唯
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