繼納米材料之后,量子材料在這些年火了起來。
當然,不止是材料,什么東西掛上個“量子”之后都立刻變得高大上了起來。畢竟量子力學這東西聽上去還是有那么一點兒唬人的。
但有一種量子材料,它不需要巨大的工廠,昂貴的儀器,精妙的技法,只需要一口鍋,在家里就能做出來。它就是——量子點材料。
01
是個啥?
當我們遇見一個沒有聽過的名詞時,不妨先來一套科學的“素質(zhì)三連”:是個啥?有啥用?怎么做?
那這量子點是個啥東西呢?
顧名思義,量子點,就是能展現(xiàn)出量子性質(zhì)的“點”。當然,這個“點”并不是真正的零維的點,而是這種材料的尺寸非常小的意思。量子點的尺寸通常在幾納米到幾十納米,這么小的尺寸足以讓量子點展現(xiàn)出諸如量子隧穿、庫倫阻塞等量子性質(zhì)。
細胞上的硫化鎘量子點 | 來源:參考資料[1]
實際上,量子點就是一團具有特定結構的原子團簇,它們激發(fā)出來的激子量子態(tài)會在空間三個方向上都被束縛?。ぷ樱弘姾珊涂昭ㄔ趲靵鲎饔孟滦纬傻氖`態(tài))。這種束縛作用很像自然界中三維狀態(tài)下原子對電子的束縛作用,因此量子點也會被稱為人造原子。
根據(jù)組成量子點主要元素的不同,可以將量子點分為硅量子點、鍺量子點、硫化鎘量子點、硒化鎘量子點、碲化鎘量子點、硒化鋅量子點、硫化鉛量子點、硒化鉛量子點、磷化銦量子點以及砷化銦量子點等。不同量子點的制備方式不同,也可以展現(xiàn)出不同的性質(zhì)。
02
有啥用?
量子點有啥用?
這要從量子點的性質(zhì)開始說起。
量子點的性質(zhì)介于半導體和離散的原子分子之間。在半導體中,電子吸收光子,從價帶躍遷至導帶,并在價帶中留下空穴,這一對電子和空穴會在庫侖作用束縛下形成激子。當組成激子的電子和空穴回到對應的基態(tài)時,激子的能量便會以光子的形式放出,便形成了熒光。
激子能級示意圖 | 來源:參考資料[1]
之前提到,量子點中同樣會有激子,在量子點中的激子也會將能量以光子的形式放出,因此量子點通常都能發(fā)出熒光。并且量子點的光電性質(zhì)通常會隨著尺寸和形狀的變化而變化,直徑為5-6納米的大量子點發(fā)射出更長波長的熒光,如橙光或紅光;較小的量子點(2-3納米)發(fā)射較短波長的光,產(chǎn)生像藍光和綠光這樣的顏色的光。量子點這一優(yōu)秀的可調(diào)控發(fā)光性質(zhì),使其在光電領域有著廣闊的應用前景。
同一束光激發(fā)之下不同尺寸的量子點發(fā)出不同顏色的光 | 來源:參考資料[1]
量子點的潛在應用包括但不限于單電子晶體管,太陽能電池,發(fā)光二極管,激光,單光子源,量子計算,細胞生物學研究,顯微鏡以及醫(yī)學成像。
特別是在顯示器領域,量子點有著獨特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)顯示器的不同在于,量子點顯示器使用的是藍色LED光源,前面已經(jīng)介紹了,不同大小的量子點可以產(chǎn)生不同顏色的光,藍色LED光經(jīng)過相應量子點之后,被分別轉(zhuǎn)化成紅光或者綠光,再加上空白像素直接顯示的藍光,便有了紅、綠、藍的RGB光,進而組合出所需要的各種顏色。早在2006年6月份,概念版的量子點顯示器便得到了提出,2013年更是有了真正的商用量子點顯示器,小伙伴們家里擺著的沒準兒就是量子點顯示器哦~
03
怎么做?
鋪墊了這么多,終于到了我們開頭講的問題:怎么制備量子點材料?
目前量子點材料的制備方法大致可以分為三種:化學溶液生長法、外延生長法以及電化學法。不同的方法適用于不同種類的量子點生長。我們一個一個來說。
首先是化學溶液生長法,小編喜歡把這種方法叫做“大鍋燜煮法“,這種方法就是將原料按照一定比例放在化學溶液中,保持一定溫度加熱一段時間,便可以得到量子點,簡單安全又高效,并且通常對環(huán)境的破壞非常少,是很常見的一種制備方法。
這里便不得不提到一種量子點材料——碳量子點材料。它的特殊之處在于,制備原料、方法都太簡單了。果汁、牛奶、蛋清、維生素C、葡萄糖、草葉等等,都可以作為碳量子點的制備原料,制備過程對溫度的要求也不高。
小伙伴們平時吃剩的糖醋排骨不要扔,拿出來放在紫外燈光下照一照,如果看到了熒光點,那就是碳量子點。
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外延生長法,又可分為分子束外延生長法以及化學氣相沉積法,其原理都是控制原料在特定襯底表面反應沉積,從而得到量子點。用這種方法制備得到的量子點可調(diào)控性比較高,特別是分子束外延生長,在超高真空環(huán)境中生長,得到產(chǎn)物的純度會很高;缺點就是制備成本比較昂貴,釋放的氣體可能會污染環(huán)境。除了量子點之外,改變生長溫度、時間等參數(shù),可以讓產(chǎn)物在襯底上進一步生長,從而得到一維納米管材料或者二維薄膜材料。
電化學法,以特定原料作為電極,并通過特定電解液形成電路,通過施加一定的交變電壓便可以將量子點從原料電極上剝離下來。這種方法產(chǎn)率高,環(huán)境破壞小,缺點就是適用制備的量子點種類有限。
除了這三種方法,還有其他很多制備量子點的方法,如電弧放電法、激光銷蝕法、燃燒法、等離子體合成法等等,不同方法互有優(yōu)劣,適用制備的量子點種類不同,不同方法制備得到的同種量子點性質(zhì)也會有所區(qū)別。
量子點材料聽起來這么高端,做個飯居然就能做出來。這下子不得不多吃幾次糖醋排骨了呢。
參考文獻:
[1] Quantum dot - Wikipedia
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作者|中科院物理所新媒體中心
審核|羅會仟 中國科學院物理研究所 研究員
出品|科普中國-星空計劃(創(chuàng)作培育)
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