什么是量子点（quantum dots）？

量子点（QDs）是人造的纳米级晶体，表现出独特的光学和电子特性，包括传输电子的能力，以及在暴露于紫外光时发出各种颜色的光。这些人工合成的半导体纳米颗粒具有广泛的潜在应用，包括用于复合材料、太阳能电池、荧光生物标签、显示器、照明和医学成像。
量子点--半导体的纳米颗粒--在20世纪70年代首次被理论化，然后在80年代初成功合成。当半导体颗粒做得足够小时，它们会表现出量子效应，它限制了电子和空穴（没有电子）在颗粒内可以存在的能量。由于能量与波长（或颜色）有关，这导致粒子的光学特性可根据其大小进行调整。通过控制粒子的大小，它可以被制成发射或吸收特定波长（颜色）的光。

量子点是纳米级的人造晶体，具有将光的光谱转换成不同颜色的能力。每个点根据其大小发射出不同的颜色。(图片: RNGS Reuters/Nanosys)
量子点是人工纳米结构，根据其材料和形状，可以拥有许多不同的属性。例如，由于其特殊的电子特性，它们可以被用作单电子晶体管的活性材料。
量子点（QDs）的特性由各种因素决定，包括尺寸、形状、成分和结构，如它们是固体还是空心的。为了在多种应用中有效利用量子点，包括催化、电子、光子学、信息存储、成像、医学和传感，需要一种可靠的制造技术，能够持续生产大量具有统一参数的纳米晶体。这将确保每批QDs在特定的应用中具有一致和可预测的特性。
由于某些生物分子能够进行分子识别和自组装，纳米晶体也可以成为自组装功能纳米设备的重要组成部分。
量子晶体的类似原子的能量状态进一步促进了特殊的光学特性，如与颗粒大小有关的荧光波长；这种效应被用于制造生物和医学成像的光学探针。
胶体量子点在生物分析和生物标记中的应用已经成为这些人造纳米级晶体的最有前途的应用领域之一。尽管第一代量子点的早期潜力已经显现，但仍需做出重大努力来改善基本特性，特别是这些颗粒在含盐溶液中的胶体稳定性。最初，量子点只在受控的实验室条件下使用，在真实世界的样品（如血液）中使用并不实用。然而，这些稳定性问题后来得到了解决，使得量子点在现实世界的应用得到了广泛的使用。
 

产生鲜艳色彩的量子点小瓶。例如，一个基于镉的量子点显示出纯粹的、高度特异的绿色色彩反应。(图片: NASA)
量子点已经在复合材料、太阳能电池（Grätzel电池）和荧光生物标签（例如追踪生物分子）中找到了应用，这些都是利用小颗粒和可调控的能量水平。
化学方面的进展导致了单层保护的、高质量的、单分散的、直径小至2纳米的晶体量子点的制备，这些量子点可以作为典型的化学试剂方便地处理和加工。
量子点在医学上的应用
量子点使研究人员能够在单分子水平上研究细胞过程，并可能大大改善诸如癌症等疾病的诊断和治疗。量子点要么被用作高分辨率细胞成像的主动传感器元件，在这种情况下，量子点的荧光特性在与分析物反应时发生变化；要么被动标签探针，在这种情况下，选择性受体分子（如抗体）被连接到量子点的表面。
量子点可以彻底改变医学。不幸的是，它们中的大多数是有毒的。具有讽刺意味的是，重金属在量子点中的存在，如镉，一种公认的人类毒物和致癌物，特别是对未来的医疗应用构成了潜在的危险，即量子点被故意注射到身体里。
随着纳米材料在生物医学上的应用越来越多，环境污染和毒性问题必须得到解决，开发一种无毒和生物兼容的纳米材料正成为一个重要问题。
量子点在光伏领域的应用
使用量子点制造太阳能电池的吸引力在于与其他方法相比有几个优势： 它们可以在节能的室温过程中制造；它们可以由丰富、廉价的材料制成，不需要像硅那样进行广泛的提纯；它们可以应用于各种廉价甚至是灵活的基底材料，如轻质塑料。
尽管使用量子点作为太阳能电池的基础并不是一个新的想法，但制造光伏设备的尝试还没有达到足够高的太阳光转换效率。
量子点太阳能电池的一个有前途的路线是半导体墨水，其目标是在一个单一的沉积步骤中实现大面积的太阳能电池基板的涂层，从而消除了以前逐层方法所需的几十个沉积步骤。
石墨烯量子点
石墨烯基本上是碳纳米管的一种展开的平面形式，因此，它已成为纳米级电子产品的一种极其有趣的候选材料。研究人员已经表明，有可能从单个石墨烯晶体（即石墨烯量子点）中雕刻出纳米级晶体管。与所有其他已知的材料不同，石墨烯即使被切割成一纳米宽的器件，仍然保持高度稳定和导电性。
 

从石墨烯片上雕刻的量子点。(图片：曼彻斯特大学中观物理学组)
石墨烯量子点（GQD）由于其独特的光致发光（PL）特性，包括良好的生物相容性、低毒性以及对光漂白和光链接的高稳定性，在光电子学、光伏、生物传感和生物成像领域也显示出巨大潜力。
科学家们仍在努力寻找高效和通用的方法来合成具有高稳定性、可控制的表面特性和可调整的光致发光波长的GQDs。
过氧化物量子点
发光量子点（LQDs）具有高的光致发光量子产率、灵活的发射颜色控制和溶液可加工性，在照明系统（无紫外线和红外线照射的暖白光）和高质量显示器中的应用前景广阔。
然而，LQDs的商业化一直受到其生产成本过高的阻碍。目前，LQDs是通过HI方法制备的，需要在高温下进行繁琐的表面处理，以提高光学性能和稳定性。
尽管最近才开发出来，无机卤化物过氧化物量子点系统已经在许多领域表现出与传统QD相当甚至更好的性能。
通过在室温下制备高发射性的无机过氧化物量子点（IPQD），IPQD卓越的光学优点可以在照明和显示方面带来很好的应用。
量子点电视和显示器
如今，量子点最常见的用途可能是电视屏幕。三星和LG在2015年推出了他们的QLED电视，其他一些公司也在不久之后跟进。
量子点，因为它们既具有光活性（光致发光）又具有电活性（电致发光），并且具有独特的物理特性，将成为下一代显示器的核心。与有机发光二极管（OLED）中使用的有机发光材料相比，基于QD的材料具有更纯净的色彩、更长的使用寿命、更低的制造成本和更低的功耗。另一个关键优势是，由于量子点可以沉积在几乎任何衬底上，你可以期待各种尺寸的可打印和灵活--甚至可滚动--的量子点显示器。