量子点知识
量子点的分类和特点
量子点的分类和特点
量子点是一种纳米级别的半导体颗粒，因其具有独特的量子尺寸效应和表面效应，被广泛应用于生物医学、生物标记、生物成像等领域。
按照几何形状的不同，量子点可以分为以下几类：
1）箱形量子点：具有两个平行的边缘，宽度较大的侧面和两个较窄的侧面。
2）球形量子点：具有一个圆形的几何形状，是最常见的一种类型。
3）四面体量子点：具有四个顶点和六个面，是一种特殊的几何形状。
4）柱形量子点：顶部和底部具有平面，中间部分是一个高宽比很大的柱形结构。
5）立方体量子点：具有八个顶点和十二个面，是另一种特殊的形状。
6）盘形量子点：中间部分是一个盘形结构，顶部和底部是平面。
7）外场量子点：在外场（如电场、磁场）的作用下，量子点的几何形状会发生变化。
量子点的特点主要包括以下几个方面：
1)量子尺寸效应：由于量子点的尺寸非常小，因此其电子能级会呈现量子化，即电子只能在某些特定的能级上运动，这使得量子点具有许多独特的光学和电学性质。
2)表面效应：量子点的表面积相对较大，因此其表面的电子态数量较多，这些表面态可以被用来调控量子点的光学和电化学性质。
3)荧光发射效应：量子点可以发射荧光，这使得它们在生物标记、生物医学成像等领域具有广泛的应用前景。
4)可调控性：量子点的发光波长、荧光量子产率等性质都可以通过改变量子点的材料种类、尺寸、形状以及表面修饰等参数进行调控。
总而言之，量子点因其独特的量子尺寸和表面效应，在生物医学、生物成像、能源存储等多个领域都展现出巨大的应用潜力。
量子点荧光技术
量子点荧光技术1. 介绍量子点荧光技术是一种基于量子点材料的荧光发射技术。
量子点是一种纳米级别的半导体材料，具有特殊的光学和电学性质。
通过控制量子点的大小和组成，可以实现对荧光发射的调控，从而应用于多个领域，如显示技术、生物医学和光电子学等。
2. 量子点的特性量子点具有以下几个主要特性：2.1 尺寸效应由于量子点的尺寸通常在纳米级别，其尺寸效应对其光学和电学性质有着显著影响。
量子点的能带结构会随着尺寸的改变而发生变化，从而导致荧光发射波长的调控。
2.2 窄发射带宽相比于传统的荧光材料，量子点具有更窄的发射带宽。
这意味着量子点可以发射更纯净的光，使得显示设备的色彩更加鲜艳和准确。
2.3 高发光效率量子点具有高发光效率，可以将电能转化为光能的效率达到90%以上。
这使得量子点在能源利用和光电子学领域具有广泛的应用前景。
3. 量子点荧光技术的应用量子点荧光技术在多个领域都有广泛的应用，以下是几个主要的应用领域：3.1 显示技术量子点荧光技术在显示技术中有着重要的应用。
通过使用不同大小和组成的量子点，可以实现对显示设备的发光颜色的调控，从而实现更鲜艳和准确的色彩显示。
此外，量子点还可以用于增强显示设备的亮度和对比度。
3.2 生物医学量子点荧光技术在生物医学领域有着广泛的应用。
量子点可以作为生物标记物，用于细胞和分子的成像。
由于量子点具有窄发射带宽和高发光效率的特性，可以提供更准确和清晰的图像，帮助研究人员更好地理解生物体内的结构和功能。
3.3 光电子学量子点荧光技术在光电子学领域也有着重要的应用。
量子点可以用于制造高效的光电子器件，如太阳能电池和光电二极管。
由于量子点具有高发光效率和尺寸效应的特性，可以帮助提高光电子器件的能量转换效率和性能稳定性。
4. 量子点荧光技术的发展和挑战量子点荧光技术在过去几十年中取得了重大的进展，但仍面临一些挑战和限制：4.1 毒性和环境影响目前广泛使用的量子点材料中含有一些有毒元素，如镉和铅。
关于量子点的相关知识综述
关于量子点的相关知识综述量子点（Quantum Dots）是指粒子直径尺寸小于激子波尔半径且具有明显量子效应的半导体纳米结构，也被称作半导体纳米晶。
它既可以由一种半导体材料制成，例如由Ⅱ-Ⅵ族元素（CdTe、CdS、ZnSe、CdSe等）或Ⅲ-Ⅴ族元素（InAs、InP等）组成，也可以由两种及两种以上的半导体纳米材料组成。
作为一种新型的半导体纳米材料，量子点具有很多优良的特性。
1.量子点的性质（1）量子点的发射光谱能够通过改变量子点的粒子尺寸大小来控制。
通过改变量子点的化学组成成分和粒径大小能够使其发射光谱遍布整个可见光区。
利用量子点的这一性质可以制备荧光光谱特征不同的量子点。
（2）量子点有着很好的光稳定性相比于传统的荧光试剂。
量子点的荧光强度和稳定性比起传统有机荧光材料罗丹明6G强好几十倍以上。
因此量子点在生物标记方面有着广泛的应用，为研究长期相互作用的分子之间提供了重要的作用。
（3）量子点同时具有宽且连续的激发光谱和窄的发射光谱。
利用同一激发光源即可对不同尺寸的量子点进行同步检测，因此可以用作多色标记，极大地促进和发挥了荧光标记的应用。
（4）量子点具有较大的期托克斯位移[8]。
期托克斯位移（Stokes shift）是指量子点的最大紫外吸收峰位与荧光发射峰位所对应的波长之间的差值。
量子点的另一个优异的光学性质就是其具有宽的期托克斯位移，这是量子点显著的光谱特性，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。
图1 斯托克斯位移示意图（5）量子点有着极好的生物相容性。
量子点经过各种化学修饰以后，不但能够提高它的光稳定性和量子产率[9, 10]，而且有利于进行特异性结合，另外其毒性较低，对其他生物体的危害小，可以进行生物活体的标记和检测。
（6）量子点具有很长的荧光寿命。
量子点的荧光寿命可持续数十纳秒，相比于有机荧光染料的寿命几纳秒[11]长很多，当进行光激发以后，多数物质的自发荧光会发生衰变，而量子点的荧光却依旧存在，此时即可采集到无背景干扰的荧光信号。
量子点名词解释
量子点名词解释
量子点是一种纳米级材料，由几十到几百个原子组成。
它具有独特的光学和电学特性，因此在科学研究和技术应用中引起了广泛关注。
量子点的大小通常在1到10纳米之间，这使得它们在形状和大小上
能够精确地控制。
通过调整量子点的大小和组成元素，可以调整其发光颜色的范围。
这种特性使得量子点在显示技术、荧光标记、生物成像和太阳能电池等领域有着广泛的应用。
在显示技术方面，量子点可用于增强液晶显示器（LCD）的色彩饱和
度和亮度。
传统的LCD显示器使用白光源和色彩滤光片来产生彩色图像，这会导致颜色不准确，同时也会浪费大量的能量。
而量子点发光材料可以发出纯净的、可调节的颜色，因此可以使显示器的色彩更加真实且能耗更低。
在生物医学领域，量子点在生物成像中发挥着重要的作用。
由于其发光颜色可控的特点，可以标记不同的生物分子或细胞，从而实现精确的检测和成像。
此外，量子点还具有长时间的稳定性和高量子产率，使其成为一种理想的荧光探针。
在太阳能电池方面，量子点可以作为光敏材料，转换太阳能为电能。
量子点可吸收太阳光中的多个频段，从紫外线到可见光，这使得太阳
能电池的能量转换效率得到了提高。
此外，量子点还具有对抗电荷输运的能力，减少了电荷的损失，提高了电池的效率。
综上所述，量子点作为一种新型材料，在科学研究和技术应用中具有广泛的潜力。
通过精确控制其大小和组成，可以调节其光学和电学性质，从而在显示技术、生物医学和能源领域等方面发挥重要作用。
量子点 问题
量子点问题
量子点是一种纳米尺寸的半导体晶体，具有许多独特的性质。
以下是一些关于量子点的问题：
1. 量子点有哪些应用领域？
量子点在许多领域都有应用，包括显示器、太阳能电池、生物成像和检测、药物传递和癌症治疗等。
它们可以用作荧光染料，用于制造高清晰度的显示器，也可以作为光敏材料，用于太阳能电池的光电转换。
此外，量子点还可以用作生物探针和药物载体，用于生物医学研究和治疗。
2. 量子点的发光原理是什么？
量子点的发光原理主要涉及到其能级结构。
当量子点受到外部光子或电场的激发时，电子从低能级跃迁到高能级，并在跃迁回低能级时发出光子。
由于量子点的尺寸可以精确控制，因此它们的能级结构可以定制，从而使得它们发出不同波长的光。
3. 量子点有哪些优缺点？
量子点的优点包括：
- 高色纯度：由于量子点的能级结构可以定制，因此它们可以发出单色光，具有高色纯度。
- 高亮度：量子点可以吸收并转化大量的能量，从而产生高亮度的光。
- 稳定性好：量子点不易受到光和热的退化影响，具有较好的稳定性。
然而，量子点也存在一些缺点：
- 成本较高：目前量子点的制备成本还比较高，需要进一步降低成本才能广泛应用。
- 有毒性问题：一些量子点材料可能对人体和环境有害，需要进行安全性评估和处置。
4. 如何制备量子点？
目前制备量子点的方法有多种，包括化学合成、物理气相沉积、溶胶凝胶法等。
其中，化学合成是最常用的一种方法，可以大规模制备高质量、高纯度的量子点。
物理气相沉积和溶胶凝胶法等方法则需要较高的实验条件和技术水平。
量子点
量子点，又称为半导体纳米晶体，由于它的优异光学性能，已经引起了科学界的广泛兴趣。
[1-3] 量子点尺寸大约为1-10纳米，它的尺寸和形状可以精确的通过反应时间、温度、配体来控制。
当量子点尺寸小于它的波尔半径的时候，量子点的连续能级开始分离，它的值最终由它的尺寸决定。
随着量子点的尺寸变小，它的能隙增加，导致发射峰位置蓝移。
由于这种量子限域效应，我们称它为“量子点”。
[4] 量子点具有优异的发光性能，比如尺寸可调的荧光发射，窄且对称的发射光谱，宽且连续的吸收光谱，极好的光稳定性。
通过调节不同的尺寸，可以获得不同发射波长的量子点。
窄且对称的荧光发射使量子点成为一种理想的多色标记的材料。
由于宽且连续的吸收光谱，用一个激光源就可以同时激发一系列波长不同荧光量子点。
量子点良好的光稳定性使它能够很好的应用于组织成像等。
相较于体相材料,半导体胶体量子点具有量子限域效应,因而表现出特殊的光学性质。
具体表现为:(1)与尺寸相关的发光性质,可以通过尺寸的调节改变量子点的性质。
相同材料的量子点,尺寸小的量子点的吸收范围和突光发射峰的波长相比于尺寸大的量子点会有蓝移。
(2)发光效率高,光学稳定性好,和有机染料相比量子点的发光性质受自由基的影响更小,因而光学稳定性更高,可以有效地抵抗光氧化。
(3)宽而又连续的的吸收光谱,和窄并且对称的发射光谱,并且量子点可以使用单一激发光激发。
窄而对称的发射光谱使量子点的发光色彩更纯。
(4)较大的斯托克斯位移,不易自萍灭,量子点之间的劳光共振能量转移较低,使劳光效率更高。
由于大多数QDs在有机相中制备，人们必须在其表面修饰上适当的亲水性基团，使之可溶，才能进一步应用到各种生化分析体系中. 常见的修饰方法有共价偶联［10］、配体交换［9］、静电吸附［11］、表面硅烷化［10］、特异性结合［2］等. 如Mioskowsk ［9］小组采取配体交换法，成功制备了形态均一、发射光位于575nm的核-壳式结构QDs，通过此法，还可将氨基、巯基等功能基团交换到QDs表面，进而拓宽QDs应用范围；此外，Johnson ［12］利用生物素与链酶亲和素之间的特异性结合，成功将生物素化的核酸适配体（aptamer）与目标DNA结合的三明治结构和链酶亲和素功能化的双色QDs偶联，实现对DNA基因组的快速、超灵敏检测。
量子点
电弧法 溶胶凝胶法
微乳法 水热法 化学沉淀法 喷雾热解法
0 3
制备方法的优缺点
量
子 点
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
制
点，从而限制了它的使用范围。
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。
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2、含Zn量子点
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)
子 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
点 的
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
应 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
用 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
用 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。
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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
量 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
法 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
量子点和荧光粉
量子点和荧光粉量子点和荧光粉是两种广泛应用于材料科学领域的物质。
它们有着各自独特的性质和应用场景。
一、量子点1. 量子点的定义：量子点是一种奇特的物质，它是微小的半导体结构，通常由几百或几千个原子组成。
2. 量子点的性质：（1）尺寸微小：量子点的尺寸通常在2-10纳米之间，比一般的半导体结构小得多。
（2）颜色可调：量子点的颜色可以随着大小和形状的改变而发生变化，因此它们可用于生产不同颜色的发光材料。
（3）高稳定性：由于其结构的特殊性质，量子点具有高稳定性。
3. 量子点的应用：（1）发光材料：由于其颜色可调的性质，量子点可用于生产高效的发光材料。
目前它们已被广泛应用于LED（发光二极管）和荧光屏幕等设备中。
（2）生物医学：量子点还可用于生物医学，如纳米探针、分子成像和药物输送等领域。
因为它们结构的特殊性质和稳定性，可以在医学诊断和治疗上发挥重要作用。
二、荧光粉1. 荧光粉的定义：荧光粉是一种可以将紫外线转换成可见光的材料。
它们通常是由有机或无机化合物组成的。
2. 荧光粉的性质：（1）荧光显现：荧光粉受到紫外线照射后，能发出可见光，这种现象被称为荧光。
（2）耐高温性：荧光粉具有较高的耐高温性，可用于生产高温反应器、灯泡等设备。
3. 荧光粉的应用：（1）防伪材料：荧光粉可用于防伪材料，如防伪标志和金融票据等。
由于其荧光显现的性质，可以将其添加到特定材料中，以便迅速区分真伪。
（2）照明设备：荧光粉可用于生产彩色灯泡、祥云灯和枕头等产品，以提供夜间照明效果。
它们还广泛应用于荧光屏幕、投影仪和荧光鼓棒等设备中。
总结：量子点和荧光粉虽然在构造和应用方面存在差异，但它们都有着广泛的应用场景。
它们可用于生产高效的发光材料、防伪材料和生物医学设备等。
未来随着科技的不断发展，量子点和荧光粉将有更广泛的应用和发展前景。
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量子点的基本知识
量子点是继超晶格和量子阱之后，于上个世纪80年代中后期和量子线同时发展起来的一类新型低维量子结构。
其历史最早可以追溯到作为光催化剂的半导体胶体【】。
当时为了提高光催化性而减小粒子的尺寸时，就发现随着粒子尺寸的减小，粒子的颜色发生了变化。
例如体相呈橙色的Cds随粒径的减小而逐渐变成黄色、浅黄色甚至白色，但当时并未对这一现象进行深入的研究。
1962年，日本理论物理学家Kubo提出了金属颗粒的量子尺寸效应【】，使人们从理论上对这个效应有了一定的认识，并开始对包括半导体在内的一些材料进行了相应的研究。
但直到上个世纪80年代初期，对半导体量子点材料的研究还形成规模。
促使人们开始大规模对半导体量子点材料进行研究的起因，源于1983年美国Hughes研究所的R.K.Jain和R.C.Lind发表的一篇论文【】。
它们在市售的CdS1-x Se x 半导体微晶掺杂的光学滤波玻璃上观测到了很高的三次非线性光学效应和快速的光响应（皮秒量级），可望在超高速的光运算、全光开关和光通信等方面具有广阔的应用前景。
正是以这篇文章为契机，科学工作者们开始积极投身到这一研究领域中来。
量子点的定义
量子点通常是指由人工制造的尺寸为10nm-1μm的微小晶体结构，其中含有1~1000个可被控制的电子。
顾名思义，量子点即是将材料的尺寸在三维空间进行约束，并达到一定的临界尺寸（抽象成一个点）后，材料的材料的行为具有了量子特性，结构和性质也随之发生从宏观到微观的转变。
其典型特征是电子波函数的完全局域化和电子能谱的量子化。
量子点材料的研究是一个涉及多科学的交叉领域研究，因而其名称也是多种多样的。
例如，材料科学家称之为超细颗粒；晶体学家称之为微晶、纳米晶粒；原子分子物理学家称之为量子点。
不同学科在量子点领域的交汇，一方面丰富了研究思想和方法，另一方面也开拓了应用领域和潜在的市场。
量子点的分类
量子点有很多种分类方法：按其集合形状可以分为箱形量子点、圆盘形量子点、球形量子点、四面体形量子点、圆柱形量子点、透镜形量子点和外场诱导量子点等；按其材料组成，可分为元素半导体量子点、化合物半导体量子点、半导
体异质结量子点及金属量子点等等；按其内部势阱的个数可分为量子阱量子点（量子点内部存在两个以上的势阱，也称为非均匀量子点）和均匀量子点；研究量子点的I-V特性时，按电流垂直流过量子点还是平行流过量子点，量子点可以分为横向量子点和纵向量子点。
量子点结构的奇异特性
量子点所具有的特殊属性，主要源于它的特殊几何尺寸。
我们知道当体系的尺寸与物理的特征量相比拟时，量子效应十分显著，量子力学原理将起重要作用，电子在量子点中的运动规律将出现经典物理难以解释的新现象。
量子点作为一个微型实验室展现了丰富的意想不到的特征：量子尺寸效应、量子隧穿效应、量子干涉效应、库伦阻塞效应、介电受限效应、非线性光学效应等等。
量子尺寸效应
量子尺寸效应所描述的是，当半导体材料从体相减小某一临界尺寸，如量子点的尺寸和电子的德布罗意波长或电子的非弹性散射平均自由程和体相激子的波尔半径想当时，其中的电子、空穴和激子等载流子的运动受到强量子封闭性的限制，同时导致其能量的增加。
与此相应，电子结构也将从体材料的连续能带结构变成类似于分子的准分裂能级，并且由于能量的增加，使原来的能隙增加，即吸收光谱向短波方向移动，即半导体量子点的能隙相对于体材料有较大的蓝移，并随着尺寸的减小，蓝移量变大，量子点的放光强度也就进一步增加。
在光学性质方面引起光吸收谱和光致发光谱峰的蓝移等现象。
迄今位置，在理论上，人们已从固体能带理论和量子力学理论出发，采用各种模型和方法，对各种量子点的电子结构进行了常识性的研究，从而深刻解释了量子点所具有的量子尺寸效应。
在实验方面，人们已利用共振光散射、远红外激发和磁阻振荡等方法对量子尺寸效应进行了实验验证【】。
量子隧穿效应
在量子阱结构中，隧穿与势垒有密切联系。
对于一个异质结而言，如果第一种材料中的电子能量第一第二种材料中的电子能量，那么第二种材料就成为阻挡电子运动的势垒。
但当势垒层较薄时，电子的量子力学波动性开始起作用，它会以隧穿的方式通过这个势垒而形成隧道电流，这就是量子隧穿效应。
在量子点结构中也存在明显的量子隧穿效应。
由于强烈的三维量子限制作用，使得电子能级
的值都是量子化的，而且每个能级上都可以积累一定数目的电子。
如果相邻两个量子点之间距离很近，以至于能够使得量子隧穿过程发生，那么在外加电场的作用下，电子就可以在相邻的两个量子点能级之间进行跃迁。
利用量子点的这种可积蓄或转送电子的原理，可以构想大容量存储器或并行运算处理器【】。
如果改变外加电场，使电子所具有的能量恰好与量子点中一个电子能级所具有的能量值相等，则电子就能隧穿到量子点中并发生共振。
这种现象仅发生在某一特定电压下，而在其它电压下量子能级中间的能量区域不能发生共振，利用这种共振隧穿效应可以精确控制半导体器件的开关状态。
库伦阻塞效应
库伦阻塞效应【】是量子点结构中所特有的量子化效应，它已经成为低维物理中的一个重要研究方向；。
库伦阻塞效应与单电子隧穿是紧密联系在一起的，它表现为体系静电能量对电子隧穿过程的影响。
库伦阻塞效应在半导体量子点结构中普遍存在。
由于纳米级的量子点的电容C仅为10-18F量级，其中增加或减少一点电子的电量e时电势能的变化e2/C（称为库伦能）可到几十meV，这个能量常大于热运动的能量k B T和电子的量子化能量。
这意味着当一个电子隧穿进入量子点后，它会阻止下一个电子进入量子点。
也就是说电子不能通过量子点集体传输，而是单电子的传输。
对于具有隧道谐振势垒的三个耦合量子点的低温隧穿测试表明，随着耦合作用的增加，其库伦阻塞电导峰将分裂成三个峰【】。
对于一个单量子点接触样品，在强隧穿条件下，会产生库仑振荡现象。
对于一个立方形量子点结构，它所具有的自旋阻塞效应直接影响量子点中电子的低温输运特性，在线性区域它将影响电导峰的高度，在非线性区域它将产生负微分电导。
对于一个具有台面刻蚀栅的新型量子点结构，单电子的隧穿输运会导致漏电流的量子化，即在漏电流---源漏电压的关系曲线上出现一系列平台。
介电受限效应
1979年，Keldysh首次研究了层状结构的介电受限效应【】。
随后人们对量子阱、量子线和量子点的介电受限效应进行了研究。
通常情况下，半导体量子点是镶嵌在其它介电常数相对较小的基体材料（如玻璃、半导体材料和有机聚合物）中的。
当半导体材料从体相减小到可以产生量子尺寸效应以后，量子点中的电子、空穴和激子等载流子受到由于量子点材料和基体材料的介电性质不同引起量子
点点子结构变化的影响，这种效应称为介电受限效应。
其中量子点的尺寸是晶格常数的几倍时，量子点的介电性质与其相应的体材料的介电性质差别很大。
介电受限效应既可以使激子的吸收峰蓝移，也可以使激子的吸收峰红移，并且使激子的束缚能变大。
L.W.Wang和A.Zunger【】利用赝势方法计算了Si量子点的介电常数，结果表明Si量子点的介电常数随其尺寸的减小而减小。
量子点的介电常数随其尺寸的减小而减小，这种效应称为量子点介电常数的尺寸效应。
非线性光学效应
量子点体系由于具有纳米尺寸，量子化效应明显，光跃迁的振子强度集中在分立态中，因而材料的非线性光学系数很大【】，在非线性和电光效应器件方面有很重要的应用前景。
综上所述，半导体量子点在凝聚态物理学中占有很重要的特殊地位，一方面为我们理解物理的宏观性提供了重要的中介手段，有助于对量子力学和统计力学的一些基本原理进行理论上的澄清和实验上的检验；另一方面是它本身所表现出的一些特殊现象，不仅对凝聚态物理的基础研究有重要的应用，为进一步发展固体电子学提供物理基础，而且在新一代纳米器件的设计中有着潜在的应用前景。