量子点

浅谈量子点CollegeofMaterialsScienceandEngineering,FuzhouUniversity组员：万佳琪、杨克伟、陈小宇、方义导师：冯苗1量子点2量子点制备方法3量子点的分类4量子点研究现状5量子点的应用目录Contents01量子点定义1981年，1种全新概念的纳米级半导体发光粒子被发现，我们且称作“量子点”。量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体，主要是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素组成的均一或核壳结构纳米颗粒，又称半导体纳米晶体。量子点电镜图片量子点是由有限数目的原子组成，是准零维的纳米材料，三个维度尺寸均在纳米数量级。基本特性量子点的基本特性有：量子表面效应、尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应。量子表面效应：随着构成量子点的原子数量的减少，粒径也随之减小，比表面积随之增大。在化学性质方面，由于大部分原子都位于其颗粒表面，又使得化学性质异常活泼，极易产生宏观状态条件下不能发生的化学反应；在光学性质方面，其反射系数会随着粒径的减少而显著降低。粒径越小，则颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收光谱，直至成为黑色。01量子点基本特性量子尺寸效应：量子点最大的特点是能量间隙随着晶粒的增大而改变，晶粒越大，则能量间隙越小，反之，能量间隙越大。也就是说，量子点越小，则发光的波长越短（蓝移），量子点越大，则发光的波长越长（红移）。根据量子点的尺寸效应，我们就可以运用改变晶粒尺寸的方法来改变发光光谱，而不再需要改变量子点的化学组成。量子限域效应：量子点是由少量的原子所构成的，由于尺寸的限制，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，不能再自由移动，这就是所谓的量子限域效应。正是这种效应导致了量子点会产生类似原子一样的不连续电子能级结构，因此量子点又被称为“人造原子”。这种“人造原子”在被激发时也不再有普通晶体的带状光谱，而具有了像原子一样极窄的线状光谱性质，其光谱是由带间跃迁的一系列线谱组成。01量子点量子隧道效应：对于纳米材料来说，是不可忽视的。粒子的大小达到纳米尺度时，电子显现出明显的波动性，当自身的能量小于宏观势垒的能量时，纳米粒子的能量能够使其成功穿越势垒，也就是说利用穿越势垒的方式，使得一个量子阱进入另一个量子阱，而宏观物质却没有微观粒子的这种穿透效应，这就是量子隧道效应。基本特性01量子点基本特性（光学）1、量子点纳米颗粒具有良好的线性光学性质，主要体现在发射峰窄、吸收峰宽。（量子尺寸效应）2、量子点荧光材料非常稳定，可以经受反复多次的激发，具有较高的发光效率。（量子限域效应）3、量子点荧光材料的发光性质可以通过改变量子点的尺寸来加以调控。通过改变量子点荧光材料的尺寸和化学组成可以使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。01量子点02量子点的分类柱形量子点球形量子点箱形量子点量子点按其几何形状1型量子点异质结量子点化合物半导体量子点元素半导体量子点2型量子点盘形量子点和外场（电场和磁场）诱导量子点立方量子点按其电子与空穴的量子封闭作用按其材料组成03量子点制备方法物理方法化学方法电弧法金属有机分子束外延金属有机化学气相沉积喷雾热解法化学沉淀法水热法微乳法溶胶凝胶法03量子点制备方法物理方法制备的量子点具有较高的量子产率、较窄的荧光半峰宽度、较好的单分散性和稳定性，不足之处是相关设备很贵，试剂毒性大，这样就存在量子点的生产成本高以及操作安全性等方面存在很多缺点，从而限制了它的使用范围。化学方法中研究最多的主要是水相合成法，这种方法合成的量子点粒径均匀，成本低，绿色环保，缺点是会存在一些杂质，纯度不高。制备方法的优缺点03量子点制备方法金属-有机相合成：主要采用有机金属法，在高沸点的有机溶剂中利用前驱体热解制备量子点，前驱体在高温环境下迅速热解并结成核晶体缓慢成长为纳米晶粒。通过配体的吸附作用阻碍晶核成长，并稳定存在于溶剂中。该方法制备的量子点具有尺度范围分布窄，荧光量子产率高等优点。但其成本较高且生物相溶性差，量子产率降低，甚至发生完全荧光淬灭现象。无机合成路线：目前常用水溶性硫基化合物，柠檬酸等做为保护剂在水相中制备量子点。硫基化合物，柠檬酸等与量子点的稳定性、功能化有关，因此选择带有适当官能团的保护剂对于控制量子点的表面电荷及其他表面特征极为重要。水相合成量子点操作简便，重复性高，成本低，表面电荷和表面性质可控，很容易引入官能团分子。量子点质量的好坏直接关系到其应用研究的开展和研究成果的优劣。量子点的表面修饰通常制备的量子点水溶性较差，为了改变这一状况，我们一般对量子点进行表面修饰。常用的量子点表面修饰技术可归纳为表面无机修饰和表面有机修饰两大类。1、量子点表面无机修饰：单独的量子点颗粒容易受到杂质和晶格缺陷的影响，荧光量子产率低。当以其为核心，用另一种半导体材料包覆，形成核壳结构，可以将量子产率提高，并在消光系数上有很强的增加，因而有很强的荧光发射。无机修饰还有掺杂量子点，研究得较多的是CdS、ZnS、CdSe、ZnSe、CdTe等掺杂cu、Ag、Mn等。2、量子点表面的有机修饰：量子点表面配位不足容易产生带隙表面态，通过加入有机表面活性等有机配位体与量子点表面离子键合，可以提高表面原子配位的饱和程度。有机配位体不能同时将表面阴阳粒子完全钝化，表面依然残留有较多的悬键，钝化效果不理想，量子产率同样不能大幅度提高。03量子点制备方法从发现到前1个10年的时间里，人们还仅仅在学术的角度研究它的性质，又过了10年的时间也基本上没有找到它的应用领域。1981年，1种全新概念的纳米级半导体发光粒子被发现，我们且称作“量子点”。2000年以后，量子点制备技术的提高带动了其应用领域的发展，尤其是量子点技术的光谱随尺寸可调、斯托克斯位移大、发光效率高、发光稳定性好等一系列独特的光学性能更是成为近年来研究的焦点，并取得了重大进展。目前，量子点生物技术首先在医药学上得到应用，量子点电视显示屏已经出现，量子点LED（QLED）光源也在实验室里诞生。04研究现状04研究现状1、含Cd量子点的研究现状含镉量子点有很多种，如CdSe量子点、核壳结构CdSe/ZnS量子点、CdTe、CdSe、CdS、CdS/ZnS、CdSe/CdS等。早期含镉量子点通常采用胶体化学方法在有机体系中合成。但是这样的量子点容易受杂质和晶格缺陷的影响，量子点的产率很低。经过科学家的不断努力，利用纳米粒子的有效限域载流子效应能使其量子点产率达到50%。但这些工作中使用的原料仍然为剧毒、易燃、昂贵和室温不稳定的二甲基镉。近年来，人们已经开始采用无毒、稳定且价廉方法制备含镉量子点。当前研究比较多的是直接对有机相中制备的量子点进行表面修饰。此外，水相合成法由于其操作简单、价格低廉、毒性小，且对量子点表面性质影响较小等优点，也是当前的研究热点。根据能带结构的不同，量子点可以分为2类：窄禁带量子点如CdSe(1.7eV)CdTe(1.5eV)等；宽禁带量子点如ZnS(3.6eV)、ZnSe(2.7eV)和ZnO(3.4eV)。ZnS是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族半导体，属于宽禁带半导体材料。早期主要是将ZnS外延生长在CdSe等量子点的表面，以构成一层或多层的宽带隙的无机材料，起到钝化内核表面缺陷的作用，从而提高其荧光效率。后来才有人将ZnS做成单独的量子点。ZnSe量子点是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度为2.7eV(460nm)，能发射蓝色可见光。由于ZnSe量子点无毒，生物相容性好，因而也受到了研究者的重视。ZnSe量子点可以在水相中直接合成，但是产率降低。04研究现状2、含Zn量子点04研究现状ZnO量子点也是一种宽禁带半导体材料。ZnO的结构为六方晶体纤锌矿结构，晶格常数a=3.249，c=5.206。ZnO晶胞中每个Zn原子与4个O原子按四面体分布，室温下其禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，比室温热离化能(26meV)大很多。激子不易发生热离化。与ZnSe(22meV)、ZnS(40meV)相比，ZnO是一种室温下优良的紫外发光材料。但ZnO量子点在水相中的光学稳定性和水溶性很差。2、含Zn量子点05量子点的应用1、量子点用于检测重金属离子量子点由于其荧光特性，加入金属离子会产生荧光增强或荧光猝灭的现象，因此，量子点可以用于重金属离子的检测。在重金属离子的检测过程中，量子点浓度对目标重金属离子的检测有一定的影响。浓度低，会提高其灵敏度，不过线性范围变窄，故不能准确的检测体系中重金属离子；浓度过高的话，又会降低检测的灵敏度。缓冲溶液的种类对量子点的表面电荷有不同影响，量子点在不同的缓冲溶液中所表现出的荧光性质也有一定的差异。2、量子点在生物医学领域的应用量子点作为新型的荧光探针具有激发光波长范围宽、发射光谱宽度窄、荧光强度高、稳定性好以及寿命较长等优点，这使其比传统的有机染料具有明显的优越性。目前已经成功应用于多种研究和应用领域，包括基本的细胞成像、临床诊断、医学成像。随着量子点质量和表面修饰技术的提高，量子点在生物成像方面有着越来越广泛的应用。量子点在生物医学成像中的研究表明量子点完全可以达到与传统荧光物质一样的成像效果甚至更高，尤其是其能在活细胞中长时间的跟踪目标分子，而传统的荧光物质是根本无法完成的。研究表明，量子点正成为在医学成像中一种有力的荧光探针和诊断工具，对研究疾病的发病机理、特别是荧光探针对癌细胞的成像等方面将会发挥巨大的作用。05量子点的应用3、量子点在照明领域的应用2009年，第1个量子点LED（QLED）灯泡在美国诞生。2010年，中国人取得了量子点技术颠覆性的突破，成为QLED照明进入实用化的起点。量子点是QLED发光的基本材料。实现QLED发光的主要有两种形式：一是采用在GaN基LED中作为光转换层，有效吸收蓝光发射出波长在可见光范围内精确可调的各色光；二是采用其电致发光形式，将其涂敷于薄膜电极之间而发光。电致发光型QLED原理图与传统的光源相比QLED的白光，在原理上可以完全做到与理想照明光源一致，更加接近于自然光，并且发热会进一步减少。QD-LED由于发光性能良好、使用寿命长，正在逐步取代传统照明材料成为新的“绿色”发光光源。目前，国内关于LED领域的纳米量子点的研究还比较少。国外LED纳米量子点也还基本处于实验室研发阶段。05量子点的应用4、量子点在其他领域的应用量子点的在很多方面都有很大的应用，比如量子点在光电方面的应用很广，在示波器和发光二极管中得到很好的应用，并能应用于电致发光装置。在太阳能电池的应用中，可以用量子点敏化二氧化钛电极，从而提高染料敏化太阳电池的光电转化效率。在医药领域，可以利用药物对量子点的荧光猝灭效应，以检测生物体内药物含量。在光催化剂方面，量子点可以作为光催化剂降解有机化合物，在抗菌保洁方面有广阔的应用前景。随着量子点研究的不断进展，制备出量子产率高、稳定、生物相容性好的量子点，量子点的应用将会越来越广。05量子点的应用