量子點技術的基礎知識分析

概 述

量子點是一種重要的低維半導體材料，其三個維度上的尺寸都不大于其對應的半導體材料的激子玻爾半徑的兩倍。量子點一般為球形或類球形，其直徑常在2-20 nm之間。常見的量子點由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素組成。具體的例子有硅量子點、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、磷化銦量子點和砷化銦量子點等。

量子點是一種納米級別的半導體，通過對這種納米半導體材料施加一定的電場或光壓，它們便會發(fā)出特定頻率的光，而發(fā)出的光的頻率會隨著這種半導體的尺寸的改變而變化，因而通過調節(jié)這種納米半導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。

主 要 特 性

（1）量子點的發(fā)射光譜可以通過改變量子點的尺寸大小來控制。通過改變量子點的尺寸和它的化學組成可以使其發(fā)射光譜覆蓋整個可見光區(qū)。以CdTe量子為例，當它的粒徑從2.5 nm生長到4.0 nm時，它們的發(fā)射波長可以從510 nm紅移到660 nm。而硅量子點等其他量子點的發(fā)光可以到近紅外區(qū)。

（2）量子點具有很好的光穩(wěn)定性。量子點的熒光強度比最常用的有機熒光材料“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，量子點可以對標記的物體進行長時間的觀察，這也為研究細胞中生物分子之間長期相互作用提供了有力的工具。一般來講，共價鍵型的量子點（如硅量子點）比離子鍵型的量子點具有更好的光穩(wěn)定性。

（3）量子點具有寬的激發(fā)譜和窄的發(fā)射譜。使用同一激發(fā)光源就可實現對不同粒徑的量子點進行同步檢測，因而可用于多色標記，極大地促進了在熒光標記中的應用。而傳統的有機熒光染料的激發(fā)光波長范圍較窄，不同熒光染料通常需要多種波長的激發(fā)光來激發(fā)，這給實際的研究工作帶來了很多不便。此外，量子點具有窄而對稱的熒光發(fā)射峰，且無拖尾，多色量子點同時使用時不容易出現光譜交疊。

（4）量子點具有較大的斯托克斯位移。量子點不同于有機染料的另一光學性質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的檢測。

（5）生物相容性好。量子點經過各種化學修飾之后，可以進行特異性連接，其細胞毒性低，對生物體危害小，可進行生物活體標記和檢測。在各種量子點中，硅量子點具有最佳的生物相容性。對于含鎘或鉛的量子點，有必要對其表面進行包裹處理后再開展生物應用。

（6）量子點的熒光壽命長。有機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)熒光衰減的時間相當）。而具有直接帶隙的量子點的熒光壽命可持續(xù)數十納秒（20-50 ns)，具有準直接帶隙的量子點如硅量子點的熒光壽命則可持續(xù)超過100μs。這樣在光激發(fā)情況下，大多數的自發(fā)熒光已經衰變，而量子點的熒光仍然存在，此時即可得到無背景干擾的熒光信號。

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

概 念 另 析

量子點不是點：當前，科學家能夠制造和定制高效的、每次發(fā)射一個光子（光線當前本組成單元）的光源發(fā)射器。科學家將這樣的發(fā)射器稱為量子點，其包含數千個原子。以前，科學家認為，量子點是三個維度的尺寸都在100 nm以下，外觀恰似一很小的點狀物。但當前科學家發(fā)現，量子點不能被描述成光線的點源，因此，科學家得出了一個令人吃驚的結論：量子點不是點。

量 子 點 電 視

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

1、色域范圍更加寬廣

電視機色域可以理解能顯示色彩的范圍，色域越廣，色彩表現效果也越好。隨著液晶電視的不斷普及，液晶電視取代了傳統電視、等離子電視，但其暴露出來的問題也是衡多：對比度低、色域低、響應時間長。但量子點電視卻可解決三類問題。

2、亮度大幅度提升更加明亮

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

3、低成本 高質量

量子點電視因其電視顯示技術—量子點的成本較低，卻可以帶來高質量的電視顯示效果，頗受廠商青睞。

量子點電視缺點

1、功耗大、使用壽命較其他電視有差距

量子點電視中的量子點其本質上可以劃歸到LED中。由于采用大量發(fā)光量子點來保證電視亮度提升，所以量子點功耗頗大，相比于液晶電視等功耗上會多出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8-10年使用壽命存在不小的差距。

2、存在健康問題隱患

量子點由鋅、鎘、硒和硫原子構成，那么就存在鎘揮發(fā)的問題!鎘是一種揮發(fā)性的致癌物，電視時間用久了，由于這樣那樣的問題，誰都不能保證量子點電視的鎘不會造成揮發(fā)，一旦揮發(fā)，后果不堪設想。

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（納米粒子又稱超細微粒）。屬于膠體粒子大小的范疇。

2、量子點：是在把激子在三個空間方向上束縛住的半導體納米結構。

二、特點不同

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

2、量子點：具有分離的量子化的能譜。所對應的波函數在空間上位于量子點中，但延伸于數個晶格周期中。一個量子點具有少量的（1-100個）整數個的電子、電洞或電子電洞對，即其所帶的電量是元電荷的整數。

三、應用不同

1、納米粒子：用納米粒子進行催化反應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、還原及合成反應中做催化劑，可大大提高反應效率，利用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應觸媒，燃燒效率可提高100倍；催化反應還表現出選擇性。

2、量子點：很多現代發(fā)光材料和器件都由半導體量子結構所構成，材料形成的量子點尺寸都與過去常用的染料分子的尺寸接近，因而像熒光染料一樣對生物醫(yī)學研究有很大用途。