撰稿|Bean（重慶交通學(xué)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(guī)格在三個維度中都保持在納米級，致使內(nèi)部的電子運動遭到限制量子傳輸技術(shù)，因而獲得原子狀電子結(jié)構(gòu)和與規(guī)格相關(guān)的基態(tài)，這賦于了量子點廣泛可調(diào)的光吸收、純色的明亮發(fā)射、電子傳輸以及特殊的物理和化學(xué)功能。
圖1：半導(dǎo)體量子點藝術(shù)療效圖
日前，倫敦學(xué)院副院長H.教授(人物簡介>>>)團隊聯(lián)合多位量子點領(lǐng)域知名專家以dots:and為題在上發(fā)表綜述文章。
研究人員系統(tǒng)的總結(jié)了量子點納米材料的合成和當(dāng)前發(fā)展，重點討論了膠體量子點在顯示照明、激光、傳感、電子學(xué)、太陽能轉(zhuǎn)換、光催化和量子信息等技術(shù)方面的發(fā)展前景（圖2）。
圖2.半導(dǎo)體量子點技術(shù)圖源：373,640(2021)圖譯：撰稿人Bean
當(dāng)前，量子點材料的制備主要借助兩種有效策略：基于數(shù)學(xué)真空的方式和濕物理方式。
1.化學(xué)真空法
自上而下的化學(xué)真空制造依賴于光刻或切削，在現(xiàn)有半導(dǎo)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(yīng)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(xué)真空外延的方式，其可以通過選擇前驅(qū)體和表面活性劑，以及通過控制反應(yīng)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(shù)具有可擴充性，致使膠體量子點十分適宜實現(xiàn)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(yōu)異的光學(xué)與電子特點。其中，按照調(diào)節(jié)量子點的規(guī)格大小，可以使其能量帶隙覆蓋從紫外區(qū)（UV）至紅外區(qū)（IR）（圖3）；在高度單分散的膠體量子點中，電子態(tài)的離散和原子狀結(jié)構(gòu)又造成其擁有較窄的集合發(fā)射線寬，這有利于實現(xiàn)在下一代顯示器中達到所需的色調(diào)含量；量子點的表面容積比很大，促使它們對環(huán)境十分敏感，這為量子點與環(huán)境的交互提供了一種新的途徑，其可以被聯(lián)接到蛋白質(zhì)、抗體或其他生物物種上，用作可光學(xué)輪詢的生物標記；與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，量子點表現(xiàn)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(xiàn)出復(fù)雜的互相作用。
圖3.能量帶隙與量子點規(guī)格的關(guān)系圖源：373,640(2021)圖譯：撰稿人Bean
這一系列優(yōu)異的特點將為量子點在各個高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)奠定堅實的應(yīng)用基礎(chǔ)。迄今為止，量子點早已被使用于以下幾個領(lǐng)域：
1.顯示照明
與其他半導(dǎo)體相比，發(fā)射半峰寬較窄的膠體量子點發(fā)射在形成高含量色域方面具有極大地競爭優(yōu)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(zhuǎn)換螢光粉直接被發(fā)光晶閘管（LED）迸發(fā)，也可以由施加的展寬直接驅(qū)動作為一種有源電致發(fā)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(fā)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(shè)備堆棧中的層數(shù)；提高視角；并降低光輸出和設(shè)備效率。
在另一種模式下，膠體量子點被用于實現(xiàn)電輪詢的RGBLED（圖4b）。在這些基于膠體量子點的電致發(fā)光結(jié)構(gòu)中，可以降低屏幕的長度、增強其動態(tài)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(fā)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(chǎn)生常常會推動了非幅射俄歇復(fù)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(lǐng)域一項嚴峻的挑戰(zhàn)。
2.激光器
半導(dǎo)體激光器早已應(yīng)用于光通訊、數(shù)字投影系統(tǒng)、制造、手術(shù)器械、計量學(xué)和一些新興的量子信息產(chǎn)業(yè)（圖5）。而激光的發(fā)射須要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其中發(fā)射躍遷的高能態(tài)占有率必須超過低能態(tài)占有率。這對于具有雙簡并電子和空穴帶邊狀態(tài)的量子點來說，只要當(dāng)每位點的平均電子-空穴對數(shù)為1時，才會發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光學(xué)增益。為了實現(xiàn)光學(xué)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(zhì)中的光學(xué)放大依賴于雙激子和其他更高階的多激子。
圖5.半導(dǎo)體激光器療效圖
但是非幅射俄歇復(fù)合會促使光學(xué)增益極快地失活，極大地限制了量子點激光器的發(fā)展。當(dāng)前，快速的俄歇衰減是實現(xiàn)連續(xù)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(zhì)結(jié)構(gòu)已被證明會有效的抑制俄歇復(fù)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(tài)下的激光閥值，促使量子點激光就能盡快進入商業(yè)化進程。
3.光學(xué)傳感
量子點吸收波譜的可調(diào)性，以及其光生電荷自旋的良好遷移率，使它們成為光學(xué)傳感應(yīng)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(chǎn)業(yè)和熱成像的開發(fā)中，中紅外波長的偵測愈發(fā)深受矚目。隨著半導(dǎo)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(tǒng)電子設(shè)備搜集電荷將顯得愈發(fā)困難。與傳統(tǒng)球狀光電晶閘管或肖特基光電傳感等技術(shù)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(shù)，這種能量被搜集上去并用于形成電壓。當(dāng)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(shù)，致使量子點的質(zhì)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率，這為后期的近一步開發(fā)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(zhuǎn)化為燃料或物理原料，是通往碳中和能源系統(tǒng)的兩條主要途徑。這些情況下，量子點材料可以實現(xiàn)將太陽波譜的光子轉(zhuǎn)化為物理能量，并結(jié)合了多相和均相催化的優(yōu)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(tǒng)中，半導(dǎo)體中被迸發(fā)的電子-空穴對被引導(dǎo)從導(dǎo)帶和價帶至催化位點，分別驅(qū)動還原和氧化反應(yīng)，量子點表面容積比較大，這為催化反應(yīng)提供了一條提升反應(yīng)速度的途徑，其應(yīng)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(zhì)量光學(xué)諧振腔中的量子點是單光子源的基本單元，理想情況下，經(jīng)過訂制脈沖迸發(fā)后，量子點將發(fā)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(fā)，一般須要在高溫下工作，但實際量子集成電路系統(tǒng)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(xiàn)量子點的單光子發(fā)射將成為量子估算領(lǐng)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(tài)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(tài)，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。現(xiàn)今世界，糾纏光子是做量子隱型傳態(tài)和量子估算的一個必要前提，操縱的糾纏光子數(shù)量越多，量子信息處理能力都會越強，因而開發(fā)量子點技術(shù)是量子信息處理的首要任務(wù)。
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(dāng)前量子光源很大程度上依賴于高質(zhì)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(xiàn)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(shù)的商業(yè)影響力還須要多個領(lǐng)域的共同協(xié)作，包括量子點的合成和組裝、與現(xiàn)有技術(shù)平臺的集成，以及開發(fā)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(qū)體和溶劑的轉(zhuǎn)變，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，前體數(shù)目和可用性成本對最終的產(chǎn)品成本有很大的影響。
2.對重金屬如Pb、Cd和Hg等的調(diào)控，要求進一步推動紅色量子點材料的合成。
3.常年材料穩(wěn)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(wěn)態(tài)的，因而常年穩(wěn)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(jiān)制|趙陽
編輯|趙唯
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