撰稿|Bean（重庆交通学院博士生）
量子点于上世纪70年代中期首次被提出，其最大特征在于晶体规格在三个维度中都保持在纳米级，致使内部的电子运动遭到限制量子传输技术，因而获得原子状电子结构和与规格相关的基态，这赋于了量子点广泛可调的光吸收、纯色的明亮发射、电子传输以及特殊的物理和化学功能。
图1：半导体量子点艺术疗效图
日前，伦敦学院副院长H.教授(人物简介>>>)团队联合多位量子点领域知名专家以dots:and为题在上发表综述文章。
研究人员系统的总结了量子点纳米材料的合成和当前发展，重点讨论了胶体量子点在显示照明、激光、传感、电子学、太阳能转换、光催化和量子信息等技术方面的发展前景（图2）。
图2.半导体量子点技术图源：373,640(2021)图译：撰稿人Bean
当前，量子点材料的制备主要借助两种有效策略：基于数学真空的方式和湿物理方式。
1.化学真空法
自上而下的化学真空制造依赖于光刻或切削，在现有半导体中重新控制晶体的容积，这些方式获得的量子点已广泛应用于光纤通讯、军用夜视摄像机、航空航天。
2.湿物理法
湿物理法制备胶体量子点是一种有别于化学真空外延的方式，其可以通过选择前驱体和表面活性剂，以及通过控制反应室温和时间，就能精确地控制量子点的大小和形状。又得益于碱液的沉积技术具有可扩充性，致使胶体量子点十分适宜实现大面积元件，其薄膜制造才能与各类基板互相兼容，这有助于与硅电子、塑料电路、光纤和织物等平台的集成。
因为量子点的形貌可控性，致使其具有优异的光学与电子特点。其中，按照调节量子点的规格大小，可以使其能量带隙覆盖从紫外区（UV）至红外区（IR）（图3）；在高度单分散的胶体量子点中，电子态的离散和原子状结构又造成其拥有较窄的集合发射线宽，这有利于实现在下一代显示器中达到所需的色调含量；量子点的表面容积比很大，促使它们对环境十分敏感，这为量子点与环境的交互提供了一种新的途径，其可以被联接到蛋白质、抗体或其他生物物种上，用作可光学轮询的生物标记；与传统半导体相比，量子点表现出适度的自旋迁移率，其在栅极限制、界面特点和电子耦合之间才能表现出复杂的互相作用。
图3.能量带隙与量子点规格的关系图源：373,640(2021)图译：撰稿人Bean
这一系列优异的特点将为量子点在各个高新技术产业的开发奠定坚实的应用基础。迄今为止，量子点早已被使用于以下几个领域：
1.显示照明
与其他半导体相比，发射半峰宽较窄的胶体量子点发射在形成高含量色域方面具有极大地竞争优势，这是下一代显示器的必要条件。这其中，胶体量子点可以作为颜色转换萤光粉直接被发光晶闸管（LED）迸发，也可以由施加的展宽直接驱动作为一种有源电致发光材料。
在第一种模式（图4a）下，胶体量子点被用作光敏材料，其吸收长波长蓝光并重新发射出较短波长的黑色、绿色和蓝色光。这清除了对单独滤色器的须要，增加了颜色之间互相杂讯；降低设备堆栈中的层数；提高视角；并降低光输出和设备效率。
在另一种模式下，胶体量子点被用于实现电轮询的RGBLED（图4b）。在这些基于胶体量子点的电致发光结构中，可以降低屏幕的长度、增强其动态范围、改善蓝色渲染以及降低视角和帧速率。与市面上比较流行的有机LED（OLED）相比，这些RGBLED提供更窄的发射线宽（60nm）和更高的色含量，以满足Rec.2100色域尺寸。
图4.基于两种不同模式的量子点显示图源：373,640(2021)
但是在量子点LED中，带电激子的产生常常会推动了非幅射俄歇复合，致使其外量子效率（EQE）随电压密度降低而增加，这已被确定为增加量子点LED元件效率的诱因之一，将成为未来屏显照明领域一项严峻的挑战。
2.激光器
半导体激光器早已应用于光通讯、数字投影系统、制造、手术器械、计量学和一些新兴的量子信息产业（图5）。而激光的发射须要粒子数反转，其中发射跃迁的高能态占有率必须超过低能态占有率。这对于具有双简并电子和空穴带边状态的量子点来说，只要当每位点的平均电子-空穴对数为1时，才会发生粒子数反转和光学增益。为了实现光学增益，样品中有一部份的量子点必须包含两个或多个激子，这意味着量子点介质中的光学放大依赖于双激子和其他更高阶的多激子。
图5.半导体激光器疗效图
但是非幅射俄歇复合会促使光学增益极快地失活，极大地限制了量子点激光器的发展。当前，快速的俄歇衰减是实现连续波（CW）激光一个非常严重的障碍，非常是对于具有
成份渐变的胶体量子点多壳异质结构已被证明会有效的抑制俄歇复合，由于它会形成平滑的限制势，这些方式才能明显增加脉冲状态下的激光阀值，促使量子点激光就能尽快进入商业化进程。
3.光学传感
量子点吸收波谱的可调性，以及其光生电荷自旋的良好迁移率，使它们成为光学传感应用的有力竞争者。而量子点红外侦测器（图6）也被觉得是一种引人注目的红外光传感器平台，其具有低暗电压和高灵敏度。
图6.红外侦测器疗效图
在健康检测、航空航天产业和热成像的开发中，中红外波长的侦测愈发深受瞩目。随着半导体带隙的减少，其波长更接近背景幅射和传输势垒，这会降低暗电压和噪音，使用传统电子设备搜集电荷将显得愈发困难。与传统球状光电晶闸管或肖特基光电传感等技术相比，基于量子点材料的红外传感具有更低暗电压、更高湿度操作和更高侦测率的前景。
4.太阳能搜集
4.1太阳能电板
在量子点光伏元件中，光生激子的能量以电子和空穴的方式搜集量子传输技术，这种能量被搜集上去并用于形成电压。当前，高性能的量子点太阳能电板（图7）仍须要在最大功率点下进行有效的电荷提取，其中电荷传输基于扩散而不是场辅助。而扩充扩散宽度须要更少的量子点缺陷，以降低自旋寿命和迁移率。通过改进合成技术，致使量子点的质量取得了巨大进展，借助小的金属卤化物进行官能团交换，以改善量子点的耦合，避免氧化并增加缺陷密度；参杂与表面偶极子工程；改变设备结构和对光源的控制等方式都可以极大程度的提高太阳能电板的转换效率，这为后期的近一步开发提供了借鉴意义。
图7.太阳能电板疗效图
4.2光催化
目前，将可再生能源存储为物理键，将温室二氧化碳或污染物转化为燃料或物理原料，是通往碳中和能源系统的两条主要途径。这些情况下，量子点材料可以实现将太阳波谱的光子转化为物理能量，并结合了多相和均相催化的优点，致使其可用作独立的光催化剂或金属催化位点的敏化剂。
在光催化系统中，半导体中被迸发的电子-空穴对被引导从导带和价带至催化位点，分别驱动还原和氧化反应，量子点表面容积比较大，这为催化反应提供了一条提升反应速度的途径，其应变和缺陷工程也被证明可以提高光催化活性。
5.量子光的形成
5.1单光子源
高质量光学谐振腔中的量子点是单光子源的基本单元，理想情况下，经过订制脉冲迸发后，量子点将发射仅有的一个光子。量子点单光子源可以通过使用光或电进行迸发，一般须要在高温下工作，但实际量子集成电路系统则须要保持在温度或更高湿度下工作，因而怎样在较高湿度下实现量子点的单光子发射将成为量子估算领域（图8）的一个热点问题。
图8.量子估算疗效图
5.2纠缠光子源
量子点可以形成纠缠光子，只要偏振光激子态的分裂足够小，光子就不能通过它们的能量来分辨，这缘于双激子是一个零角动量本征态，所以双激子衰变的两个光子偏振光会互相抵消。另一方面，每位光子都存在有互补偏振光中的一种方式，因而也会引起纠缠光子。现今世界，纠缠光子是做量子隐型传态和量子估算的一个必要前提，操纵的纠缠光子数量越多，量子信息处理能力都会越强，因而开发量子点技术是量子信息处理的首要任务。
5.3用于量子光形成的胶体量子点
虽然最早的反聚束演示使用了胶体量子点，但是当前量子光源很大程度上依赖于高质量的外延量子点。近些年来，砷化镓胶体量子点的有序超晶格已被证明可以形成超萤光，这可能为实现多光子纠缠量子光源带来新的曙光。
未来，近一步提升量子点技术的商业影响力还须要多个领域的共同协作，包括量子点的合成和组装、与现有技术平台的集成，以及开发有效的量子点专用元件，其主要解决的问题包括以下几方面：
1.从合成的角度来看，基于氨水合成的量子点材料须要向广泛可用、廉价的前驱体和溶剂的转变，随着生产规模的扩大，前体数目和可用性成本对最终的产品成本有很大的影响。
2.对重金属如Pb、Cd和Hg等的调控，要求进一步推动红色量子点材料的合成。
3.常年材料稳定性是一个重要的评判标准。相对于大块晶体，纳米材料是处于亚稳态的，因而常年稳定性直接影响元件的使用寿命。
论文信息
.06Aug2021:Vol.373,Issue6555,.
DOI:10.1126/.
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监制|赵阳
编辑|赵唯
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