量子点

量子点 (QD) 是几纳米大小的半导体粒子，由于量子力学，其光学和电子特性不同于较大粒子。 它们是纳米技术的中心话题。 当量子点被紫外线照射时，量子点中的电子可以被激发到更高能量的状态。

在半导体量子点的情况下，这个过程对应于电子从价带到导带的跃迁。 被激发的电子可以回到价带，以光的形式释放能量。 这种光发射（光致发光）如右图所示。该光的颜色取决于导带和价带之间的能量差异，或者当带结构不再是量子点的良好定义时离散能态之间的转变。

用材料科学的语言来说，纳米级半导体材料紧紧地限制了电子或电子空穴。 量子点有时被称为人造原子，强调它们的奇异性，具有束缚的、离散的电子状态，就像自然发生的原子或分子一样。 结果表明，量子点中的电子波函数类似于真实原子中的电子波函数。 通过耦合两个或多个这样的量子点，可以制造出一种人造分子，即使在室温下也能表现出杂交。

量子点具有介于大块半导体和离散原子或分子之间的特性。 它们的光电特性随着尺寸和形状的变化而变化。 直径为 5–6 nm 的较大 QD 会发射更长的波长，颜色如橙色或红色。 较小的量子点 (2–3 nm) 发射较短的波长，产生蓝色和绿色等颜色。 然而，具体颜色取决于 QD 的确切组成。

量子点的潜在应用包括单电子晶体管、太阳能电池、LED、激光器、单光子源、二次谐波产生、量子计算、细胞生物学研究、显微镜和医学成像。 它们的小尺寸允许一些 QD 悬浮在溶液中，这可能导致它们用于喷墨打印和旋涂。 它们已被用于 Langmuir-Blodgett 薄膜。 这些处理技术导致半导体制造的更便宜和更省时的方法。

有几种制造量子点的方法。 可能的方法包括胶体合成、自组装和电门控。

胶体半导体纳米晶体是从溶液中合成的，很像传统的化学过程。 主要区别在于产品既不会沉淀为大块固体，也不会保持溶解状态。 在高温下加热溶液，前体分解形成单体，然后成核并产生纳米晶体。 温度是决定纳米晶体生长最佳条件的关键因素。 它必须足够高以允许在合成过程中原子的重排和退火，同时又必须足够低以促进晶体生长。 单体的浓度是纳米晶体生长过程中必须严格控制的另一个关键因素。 纳米晶体的生长过程可以以两种不同的方式发生，即聚焦和散焦。 在高单体浓度下，临界尺寸（纳米晶体既不生长也不收缩的尺寸）相对较小，导致几乎所有颗粒生长。 在这种情况下，较小的颗粒比大的颗粒生长得更快（因为较大的晶体比小晶体需要更多的原子来生长）导致尺寸分布集中，产生几乎单分散颗粒的不可能分布。 当保持单体浓度使得存在的平均纳米晶体尺寸始终略大于临界尺寸时，尺寸聚焦是最佳的。

随着时间的推移，单体浓度降低，临界尺寸变得大于存在的平均尺寸，并且分布散焦。

有胶体方法可以生产许多不同的半导体。 典型的点由硫化铅、硒化铅、硒化镉、硫化镉、碲化镉、砷化铟和磷化铟等二元化合物制成。 点也可以由三元化合物制成，例如硒化镉硫化物。 此外，最近取得的进展允许合成胶体钙钛矿量子点。这些量子点在量子点体积内可以包含少至 100 到 100,000 个原子，直径约为 10 到 50 个原子。 这相当于大约 2 到 10 纳米，直径为 10 纳米时，可以将近 300 万个量子点首尾相连，并适合人类拇指的宽度。

可以通过胶体合成来合成大批量的量子点。