量子点

如果您读过科普文章，您可能听说过“量子点”这个术语。它随处可见——用于药物输送的“量子点”，用于多色显示的“量子点”，“量子点激光器”——这个列表似乎无穷无尽。那么，什么是量子点？粗略地说，它是一种由固体材料制成的微小结构。它非常小（通常由 1,000 -10,000 个原子组成），以至于它内部的电子的运动受到严重限制。当电子的运动受到如此严重的限制时，它的动能只能假设某些允许值，这些值由点的大小和形状以及构成点的材料决定。

砷化镓 (GaAs) 是一种用于制造量子点的常用材料，因为这种材料中的电子行为在室温下会产生有用的材料特性。请注意，1 纳米 = 10^-9 米，大约比人类头发的厚度小 100,000 倍。由于 GaAs 中的原子间距约为 0.5 纳米，因此量子点包含约 25,000 个原子。

量子点的一个重要特性是其表面积与体积的比值非常大。对于边长为 W 的立方体，该比值为 6/W；对于直径为 D 的球体，该比值为 6/D。该比值会随着点的尺寸（W 或 D）变小而增大。对于直径为 0.1 米的篮球，该比值为 60 米^-1但对于直径为 10 纳米（10^-8 m)，比例为 6×10⁸ 米^-1，比普通的量子点大一千万倍。量子点的大表面积体积比可用于化学和生物传感器。传感活动通常只发生在表面，而不是内部；因此，拥有大的表面积体积比是值得的。用几个微小粒子或量子点代替一个大的传感粒子可能会有好处。

为了进一步说明这个想法，请注意篮球的体积是 10²¹ 比我们刚刚描述的量子点大几倍。篮球可以分解成 10²¹量子点。所有这些点的总表面积为 10⁷ 是篮球的 1 倍。因此，将篮球分解成量子点，可以得到一个传感器， 效果提高一千万倍这就是为什么量子点在传感、靶向药物输送和催化等应用中如此重要的原因——所有这些应用都需要较大的表面积与体积比。

量子点在多色显示器中也很有用。当量子点内的电子从较高能量（激发）状态跃迁到较低能量（基态）状态时，它们会发光。发射光的颜色取决于最终状态和初始状态的能量差异，这与量子点的大小有关。因此，不同尺寸的量子点会发出不同颜色的光。这是多色显示器的基础。

制造量子点并控制好尺寸、材料纯度以及在给定表面上的位置并非易事。常见的方法有两种：“自上而下的方法”，即使用光刻和蚀刻工艺将一大块材料凿成一个小量子点。这种方法的略微变化是 量子点的静电描绘 金属垫片被放置在一层薄材料上。负电位被施加到垫片上，从而驱走下面的电子，在中心留下一小团电子；这些电子形成量子点。

第二种方法是“自下而上”，称为 自组装在这里，化学反应使原子聚集到具有明确尺寸（几纳米）的结构中，并形成量子点。

定向自组装 是自发形成结构的工艺的改进，该工艺在图案化基板上发生，为量子点的成核提供优选位置。这也被称为 基于模板的自组装 因为图案化基底充当了量子点空间排序的模板。

量子点是一种令人着迷的物质，越来越多地出现在各种商业和国防相关产品中。合成方法正在迅速完善，预计在未来十年左右，您将在许多产品中看到量子点。