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描述

  Quantum Dots with emission maxima in a 10-nm step are being produced in a kg scale at PlasmaChem GmbH

小的量子點(diǎn)，例如膠體半導(dǎo)體納米晶，可以小到只有2到10個(gè)納米，這相當(dāng)于10到50個(gè)原子的直徑的尺寸，在一個(gè)量子點(diǎn)體積中可以包含100到100,000個(gè)這樣的原子。自組裝量子點(diǎn)的典型尺寸在10到50納米之間。通過(guò)光刻成型的門電極或者刻蝕半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣形成的量子點(diǎn)橫向尺寸可以超過(guò)100納米。將10納米尺寸的三百萬(wàn)個(gè)量子點(diǎn)首尾相接排列起來(lái)可以達(dá)到人類拇指的寬度。

制造

量子點(diǎn)的制造方法可以大致分為三類：化學(xué)溶液生長(zhǎng)法，外延生長(zhǎng)法，電場(chǎng)約束法。這三類制造方法也分別對(duì)應(yīng)了三種不同種類的量子點(diǎn)。

化學(xué)溶液生長(zhǎng)法

1981年，瑞士物理學(xué)家在水溶液中合成出了硫化鎘膠體。 1983年，貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Brus證明了改變硫化鎘膠體的大小，其激子能量也隨之變化。于是，他將這種這種膠體與量子點(diǎn)的概念聯(lián)系起來(lái)，首次提出膠狀量子點(diǎn)（colloidal quantum dot）。 1993年，麻省理工學(xué)院Bawendi教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組第一次在有機(jī)溶液中合成出了大小均一的量子點(diǎn)。 他們將三種氧族元素（硫、硒、碲）溶解在三正辛基氧膦中，而后在200到300攝氏度的有機(jī)溶液中與二甲基鎘反應(yīng)，生成相應(yīng)的量子點(diǎn)材料（硫化鎘，硒化鎘，碲化鎘）。之后人們?cè)诖朔N方法的基礎(chǔ)上發(fā)明出了許多合成膠狀量子點(diǎn)的方法。目前大部分半導(dǎo)體材料都可以用化學(xué)溶液生長(zhǎng)的方法合成出相應(yīng)的量子點(diǎn)。

膠狀量子點(diǎn)具有制作成本低，產(chǎn)率大，發(fā)光效率高（尤其是在可見(jiàn)光和紫外光波段）等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是電導(dǎo)率極低。由于在生產(chǎn)過(guò)程中在量子點(diǎn)表面產(chǎn)生有機(jī)配體，抵消量子點(diǎn)之間的范德瓦耳斯吸引力，以維持其在溶液中的穩(wěn)定性。但這層有機(jī)配體極大的阻礙了電荷在量子點(diǎn)之間的傳輸。這點(diǎn)大大降低了奈米微晶在太陽(yáng)電池和其它的元件上的應(yīng)用?？茖W(xué)家們?cè)鴩L試用各種方法提高電荷在這種材料中的傳導(dǎo)率。有代表性的是2003年芝加哥大學(xué)的Guyot-Sionnest教授用較短鏈的氨基物取代原有的長(zhǎng)鏈的有機(jī)配體，將量子點(diǎn)間距縮小，并用電化學(xué)的方法將電子大量注入量子點(diǎn)內(nèi)，將電導(dǎo)率提高到了0.01S/cm。

2009年，芝加哥大學(xué)的Dmitri Talapin教授開發(fā)出一種新的方法，用無(wú)機(jī)物取代了之前附著在量子點(diǎn)表面的有機(jī)配體，能讓個(gè)別奈米微晶以強(qiáng)連結(jié)的方式相互結(jié)合成陣列，克服了前述的問(wèn)題。Talapin表示，他們的方法提供一個(gè)材料設(shè)計(jì)的多功能的平臺(tái)，將會(huì)對(duì)電子元件、光伏元件和熱電（thermoelectrics）元件的制作帶來(lái)沖擊。另外，此方法提高全溶液（all-solution）元件制作的可能性，讓此材料在連續(xù)式滾筒（roll-to-roll）制程的應(yīng)用上增添不少吸引力，例如薄膜太陽(yáng)能電池的制作。研究人員使用一種名為復(fù)合金屬硫化物（metal chalcogenide complex）的材料，來(lái)將膠體狀的奈米晶體相互黏合。其配位基較先前使用的有機(jī)配位基更為穩(wěn)定、堅(jiān)固，而且不會(huì)改變奈米晶體的化學(xué)性質(zhì)，還可讓奈米晶體間的電荷轉(zhuǎn)移更有效率。Talapin等人確實(shí)觀察到系統(tǒng)中的導(dǎo)電率相比于以往方法得到的提高了一千倍。目前，該團(tuán)隊(duì)正在研究如何在實(shí)際應(yīng)用上使用奈米晶體的連接技術(shù)，并且調(diào)查除了金屬硫化物材料外，是否還有其它合適的材料。芝加哥大學(xué)已授權(quán)Evident Technologies公司在熱電應(yīng)用上采用此技術(shù)。

膠體量子點(diǎn)的另一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域是磁性研究。直到目前，半導(dǎo)體只能在相當(dāng)?shù)蜏叵鲁尸F(xiàn)磁性，原因是磁化半導(dǎo)體奈米微粒需要靠激子（exciton）之間的磁性交互作用，但此作用的強(qiáng)度在30 K附近就不足以對(duì)抗熱效應(yīng)。

最近，華盛頓大學(xué)的Daniel Gamelin等人制造出摻雜的奈米微晶，它們的量子局限效應(yīng)（quantum confinement effect）使激子具有很大的磁性交互作用，且生命周期可長(zhǎng)達(dá)100 ns，比先前的記錄200皮秒（picosecond, ps）高出很多。研究人員利用光將激子注入膠狀奈米微晶中，產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的光誘發(fā)磁化（light-induced magnetization）現(xiàn)象。

華大團(tuán)隊(duì)成功的關(guān)鍵在于以磁性錳離子取代鎘化硒（CdSe）半導(dǎo)體奈米微晶中的部分鎘離子。這些懸浮在膠狀溶液中的微晶大小不到10 nm，照光時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)可將錳離子的自旋完全排正。Gamelin表示，排正的過(guò)程非常快，此效應(yīng)在低溫時(shí)非常強(qiáng)，且可維持到室溫。這要?dú)w功于第一次在研究中被觀察到的高溫磁激子（excitonic magnetic polaron, EMP）。Gamelin解釋，由于摻質(zhì)-載子間的交互作用夠強(qiáng)，EMP穩(wěn)定性因而增強(qiáng)超過(guò)100倍，所以才能在300 K下觀察到磁化效應(yīng)。

美國(guó)科學(xué)家開發(fā)出一種新型的電子膠（electronic glue），能將個(gè)別的奈米晶體（nanocrystals）連接在一起。這種電子膠還能用來(lái)制作大面積的電子元件和光伏（photovoltaics）元件。

利用旋轉(zhuǎn)或浸泡涂布（dip coating）和印刷等溶液類制程來(lái)制作大面積太陽(yáng)電池，例如便宜的屋頂太陽(yáng)能面板，是高成本效益的方法。不過(guò)這些技術(shù)必須讓半導(dǎo)體溶解，以方便做為墨水（ink）使用。半導(dǎo)體奈米微晶是微小的半導(dǎo)體塊狀物，是制作此類墨水的理想材料。

此外，膠狀半導(dǎo)體量子點(diǎn)與軟式微影術(shù)（soft lithography）及印刷術(shù)（in-jet printing）等常見(jiàn)的制程相容。Gamelin認(rèn)為膠體可望成為奈米科技在各種元件應(yīng)用上的新工具箱。

外延生長(zhǎng)法

外延生長(zhǎng)法是指在一種襯底材料上長(zhǎng)出新的結(jié)晶，如果結(jié)晶足夠小，就會(huì)形成量子點(diǎn)。根據(jù)生長(zhǎng)機(jī)理的不同，該方法又可以細(xì)分成化學(xué)氣相沉積法和分子束外延法。

這種方法生長(zhǎng)出的量子點(diǎn)長(zhǎng)在另一種半導(dǎo)體上，很容易與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件結(jié)合。另外由于沒(méi)有有機(jī)配體，外延量子點(diǎn)的電荷傳輸效率比膠體量子點(diǎn)高，并且能級(jí)也比膠體量子點(diǎn)更容易調(diào)控。同時(shí)，也具有表面的缺陷少等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于化學(xué)氣相沉積和分子束外延都需要高真空或超高真空，因此相比于膠體量子點(diǎn)，外延量子點(diǎn)的成本較高。

電場(chǎng)約束法

電場(chǎng)約束法是指，完全利用調(diào)控金屬電極的電勢(shì)使半導(dǎo)體內(nèi)的能級(jí)發(fā)生扭曲，形成對(duì)載流子的約束。由于量子點(diǎn)所需尺寸在納米級(jí)別，因此金屬電極需要用電子束的方法制作。成本最高，產(chǎn)率也最低。但用這種方法制作出的量子點(diǎn)，可以簡(jiǎn)單通過(guò)調(diào)控門電壓容易控制其能級(jí)，載流子的數(shù)量和自旋等。由于極高的可控性，這種量子點(diǎn)也最適合于用作量子計(jì)算。

大規(guī)模生產(chǎn)

應(yīng)用

量子點(diǎn)LED可以達(dá)到接近連續(xù)光譜，高演色性的特性；目前人工光源只有高耗能的白熾燈、鹵素?zé)裟苓_(dá)到連續(xù)光譜的特性，是LED、螢光燈無(wú)法取代的重要特性；量子點(diǎn)LED可望滿足光線品質(zhì)及健康較為要求使用者，達(dá)到全面淘汰高耗能光源的目標(biāo)。

量子點(diǎn)顯示技術(shù)可以達(dá)到更好的色彩顯示特性。

“量子點(diǎn)屏幕”采用的是麻省理工大學(xué)研發(fā)的量子點(diǎn)技術(shù)，Sony的Triluminos屏幕正是使用了該技術(shù)

另見(jiàn)

量子線

量子阱

量子點(diǎn)連接

納米顆粒

納米晶體

納米晶體太陽(yáng)能電池

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