量子點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)分析

概 述

量子點(diǎn)是一種重要的低維半導(dǎo)體材料，其三個(gè)維度上的尺寸都不大于其對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料的激子玻爾半徑的兩倍。量子點(diǎn)一般為球形或類球形，其直徑常在2-20 nm之間。常見(jiàn)的量子點(diǎn)由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素組成。具體的例子有硅量子點(diǎn)、鍺量子點(diǎn)、硫化鎘量子點(diǎn)、硒化鎘量子點(diǎn)、碲化鎘量子點(diǎn)、硒化鋅量子點(diǎn)、硫化鉛量子點(diǎn)、硒化鉛量子點(diǎn)、磷化銦量子點(diǎn)和砷化銦量子點(diǎn)等。

量子點(diǎn)是一種納米級(jí)別的半導(dǎo)體，通過(guò)對(duì)這種納米半導(dǎo)體材料施加一定的電場(chǎng)或光壓，它們便會(huì)發(fā)出特定頻率的光，而發(fā)出的光的頻率會(huì)隨著這種半導(dǎo)體的尺寸的改變而變化，因而通過(guò)調(diào)節(jié)這種納米半導(dǎo)體的尺寸就可以控制其發(fā)出的光的顏色，由于這種納米半導(dǎo)體擁有限制電子和電子空穴（Electron hole）的特性，這一特性類似于自然界中的原子或分子，因而被稱為量子點(diǎn)。

主 要 特 性

（1）量子點(diǎn)的發(fā)射光譜可以通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸大小來(lái)控制。通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸和它的化學(xué)組成可以使其發(fā)射光譜覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)。以CdTe量子為例，當(dāng)它的粒徑從2.5 nm生長(zhǎng)到4.0 nm時(shí)，它們的發(fā)射波長(zhǎng)可以從510 nm紅移到660 nm。而硅量子點(diǎn)等其他量子點(diǎn)的發(fā)光可以到近紅外區(qū)。

（2）量子點(diǎn)具有很好的光穩(wěn)定性。量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度比最常用的有機(jī)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(diǎn)可以對(duì)標(biāo)記的物體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀察，這也為研究細(xì)胞中生物分子之間長(zhǎng)期相互作用提供了有力的工具。一般來(lái)講，共價(jià)鍵型的量子點(diǎn)（如硅量子點(diǎn)）比離子鍵型的量子點(diǎn)具有更好的光穩(wěn)定性。

（3）量子點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒徑的量子點(diǎn)進(jìn)行同步檢測(cè)，因而可用于多色標(biāo)記，極大地促進(jìn)了在熒光標(biāo)記中的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料的激發(fā)光波長(zhǎng)范圍較窄，不同熒光染料通常需要多種波長(zhǎng)的激發(fā)光來(lái)激發(fā)，這給實(shí)際的研究工作帶來(lái)了很多不便。此外，量子點(diǎn)具有窄而對(duì)稱的熒光發(fā)射峰，且無(wú)拖尾，多色量子點(diǎn)同時(shí)使用時(shí)不容易出現(xiàn)光譜交疊。

（4）量子點(diǎn)具有較大的斯托克斯位移。量子點(diǎn)不同于有機(jī)染料的另一光學(xué)性質(zhì)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(hào)的檢測(cè)。

（5）生物相容性好。量子點(diǎn)經(jīng)過(guò)各種化學(xué)修飾之后，可以進(jìn)行特異性連接，其細(xì)胞毒性低，對(duì)生物體危害小，可進(jìn)行生物活體標(biāo)記和檢測(cè)。在各種量子點(diǎn)中，硅量子點(diǎn)具有最佳的生物相容性。對(duì)于含鎘或鉛的量子點(diǎn)，有必要對(duì)其表面進(jìn)行包裹處理后再開(kāi)展生物應(yīng)用。

（6）量子點(diǎn)的熒光壽命長(zhǎng)。有機(jī)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(shí)間相當(dāng)）。而具有直接帶隙的量子點(diǎn)的熒光壽命可持續(xù)數(shù)十納秒（20-50 ns)，具有準(zhǔn)直接帶隙的量子點(diǎn)如硅量子點(diǎn)的熒光壽命則可持續(xù)超過(guò)100μs。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(diǎn)的熒光仍然存在，此時(shí)即可得到無(wú)背景干擾的熒光信號(hào)。

總而言之，量子點(diǎn)具有激發(fā)光譜寬且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜窄而對(duì)稱，顏色可調(diào)，光化學(xué)穩(wěn)定性高，熒光壽命長(zhǎng)等優(yōu)越的熒光特性，是一種理想的熒光探針。

概 念 另 析

量子點(diǎn)不是點(diǎn)：當(dāng)前，科學(xué)家能夠制造和定制高效的、每次發(fā)射一個(gè)光子（光線當(dāng)前本組成單元）的光源發(fā)射器。科學(xué)家將這樣的發(fā)射器稱為量子點(diǎn)，其包含數(shù)千個(gè)原子。以前，科學(xué)家認(rèn)為，量子點(diǎn)是三個(gè)維度的尺寸都在100 nm以下，外觀恰似一很小的點(diǎn)狀物。但當(dāng)前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子點(diǎn)不能被描述成光線的點(diǎn)源，因此，科學(xué)家得出了一個(gè)令人吃驚的結(jié)論：量子點(diǎn)不是點(diǎn)。

量 子 點(diǎn) 電 視

它與傳統(tǒng)液晶電視的不同主要在于采用了不同的背光源，從而帶來(lái)性能上的諸多不同，比傳統(tǒng)LED背光的傳統(tǒng)液晶電視在畫面質(zhì)量與節(jié)能環(huán)保上更具優(yōu)勢(shì)，已成為業(yè)內(nèi)液晶電視新的發(fā)展方向。

1、色域范圍更加寬廣

電視機(jī)色域可以理解能顯示色彩的范圍，色域越廣，色彩表現(xiàn)效果也越好。隨著液晶電視的不斷普及，液晶電視取代了傳統(tǒng)電視、等離子電視，但其暴露出來(lái)的問(wèn)題也是衡多：對(duì)比度低、色域低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。但量子點(diǎn)電視卻可解決三類問(wèn)題。

2、亮度大幅度提升更加明亮

憑借其獨(dú)天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，相比于當(dāng)下其他電視，量子點(diǎn)電視可使電視亮度提升30%-40%。

3、低成本 高質(zhì)量

量子點(diǎn)電視因其電視顯示技術(shù)—量子點(diǎn)的成本較低，卻可以帶來(lái)高質(zhì)量的電視顯示效果，頗受廠商青睞。

量子點(diǎn)電視缺點(diǎn)

1、功耗大、使用壽命較其他電視有差距

量子點(diǎn)電視中的量子點(diǎn)其本質(zhì)上可以劃歸到LED中。由于采用大量發(fā)光量子點(diǎn)來(lái)保證電視亮度提升，所以量子點(diǎn)功耗頗大，相比于液晶電視等功耗上會(huì)多出10%-20%。另外其使用壽命也是較短，一般情況下可以使用4-6年，較液晶電視高達(dá)8-10年使用壽命存在不小的差距。

2、存在健康問(wèn)題隱患

量子點(diǎn)由鋅、鎘、硒和硫原子構(gòu)成，那么就存在鎘揮發(fā)的問(wèn)題!鎘是一種揮發(fā)性的致癌物，電視時(shí)間用久了，由于這樣那樣的問(wèn)題，誰(shuí)都不能保證量子點(diǎn)電視的鎘不會(huì)造成揮發(fā)，一旦揮發(fā)，后果不堪設(shè)想。

和納米粒子的區(qū)別

一、指代不同

1、納米粒子：是指粒度在1—100nm之間的粒子（納米粒子又稱超細(xì)微粒）。屬于膠體粒子大小的范疇。

2、量子點(diǎn)：是在把激子在三個(gè)空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。

二、特點(diǎn)不同

1、納米粒子：處于原子簇和宏觀物體之間的過(guò)度區(qū)，處于微觀體系和宏觀體系之間，是由數(shù)目不多的原子或分子組成的集團(tuán)，因此既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)。

2、量子點(diǎn)：具有分離的量子化的能譜。所對(duì)應(yīng)的波函數(shù)在空間上位于量子點(diǎn)中，但延伸于數(shù)個(gè)晶格周期中。一個(gè)量子點(diǎn)具有少量的（1-100個(gè)）整數(shù)個(gè)的電子、電洞或電子電洞對(duì)，即其所帶的電量是元電荷的整數(shù)。

三、應(yīng)用不同

1、納米粒子：用納米粒子進(jìn)行催化反應(yīng)可以直接用納米微粒如鉑黑、銀、氧化鋁、氧化鐵等在高分子聚合物氧化、還原及合成反應(yīng)中做催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，利用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應(yīng)觸媒，燃燒效率可提高100倍；催化反應(yīng)還表現(xiàn)出選擇性。

2、量子點(diǎn)：很多現(xiàn)代發(fā)光材料和器件都由半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，材料形成的量子點(diǎn)尺寸都與過(guò)去常用的染料分子的尺寸接近，因而像熒光染料一樣對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究有很大用途。