量子点.
量子阱、量子线及量子点
量子阱、量子线及量子点
量子阱、量子线和量子点都是量子力学中的概念，用于描述材料中的电子结构和能级分布。
1.量子阱：量子阱是一种由两个能带较宽的材料夹着一个能带较窄的材料组成的结构。
由于能带的差异，其中的电子和空穴被约束在能带较窄的材料区域内，形成分立的能级。
这种空间约束导致材料在电子、光学和能量传输等方面显示出特殊的量子效应。
量子阱常用于制造半导体激光器、光电器件和量子化合物等。
2. 量子线：量子线是一种在空间上被限制在一维结构的材料。
它的特点是在两个维度上非常细小，而在第三个维度上尺寸相对较大。
由于其细长的形状，量子线中的电子在这个方向上的运动受到限制，只能在限定的一维空间中移动。
这样的限制造成了电子能级的离散和束缚态的形成。
量子线可以用于纳米电子学、光电子学和量子计算等领域。
3. 量子点：量子点是一种在三个维度上被限制在纳米尺度的物质颗粒。
它们的尺寸通常在几纳米到几十纳米之间，比较接近原子尺度。
由于其尺寸小于传统半导体材料的布拉维长度，量子点的电子和空穴在三个维度上受到限制，导致量子力学效应变得显著。
量子点能级的离散性使其在光学、电子学和生物医学等领域有广泛的应用，如量子点显示器、太阳能电池和生物标记等。
量子阱、量子线和量子点都是基于材料结构限制下的量子效应，通过限制和调节材料中的电子能级和能量分布，展示出许多独特的性质和应用潜力。
量子点（Quantum
量⼦点（Quantum Dots）量⼦点(quantum dot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的奈⽶材料，由少量的原⼦所构成。
粗略地说，量⼦点三个维度的尺⼨都在100奈⽶(nm)以下，外观恰似⼀极⼩的点状物，其内部电⼦在各⽅向上的运动都受到局限，所以量⼦局限效应(quantum confinement effect)特别显著。
由于量⼦局限效应会导致类似原⼦的不连续电⼦能阶结构，因此量⼦点⼜被称为「⼈造原⼦」(artificial atom)。
科学家已经发明许多不同的⽅法来制造量⼦点，并预期这种奈⽶材料在⼆⼗⼀世纪的奈⽶电⼦学(nanoelectronics)上有极⼤的应⽤潜⼒。
若要严格定义量⼦点，则必须由量⼦⼒学(quantum mechanics)出发。
我们知道电⼦具有粒⼦性与波动性，电⼦的物质波特性取决于其费⽶波长(Fermi wavelength)λF = 2π / k F在⼀般块材中，电⼦的波长远⼩于块材尺⼨，因此量⼦局限效应不显著。
如果将某⼀个维度的尺⼨缩到⼩于⼀个波长（如图⼀所⽰），此时电⼦只能在另外两个维度所构成的⼆维空间中⾃由运动，这样的系统我们称为量⼦井(quantum well)；如果我们再将另⼀个维度的尺⼨缩到⼩于⼀个波长，则电⼦只能在⼀维⽅向上运动，我们称为量⼦线(quantum wire)；当三个维度的尺⼨都缩⼩到⼀个波长以下时，就成为量⼦点了。
由此可知，并⾮⼩到100nm以下的材料就是量⼦点，真正的关键尺⼨是由电⼦在材料内的费⽶波长来决定。
⼀般⽽⾔，电⼦费⽶波长在半导体内较在⾦属内长得多，例如在半导体材料砷化镓GaAs(100)中，费⽶波长约40nm，在铝⾦属中却只有0.36nm。
⽬前量⼦点的制造⽅法主要有以下四种：1.化学溶胶法(chemical colloidal method)：以化学溶胶⽅式合成，可制作复层(multilay ered)量⼦点，过程简单，且可⼤量⽣产。
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
半导体量子点材料的制备技术
可以看出用这种方法制 备量子点尺寸均匀、具 有严格的对称性。但是 用这种方法制备的量子 点受光刻水平的限制， 不可能刻蚀出更小的量 子点。于是人们利用高 分辨率聚焦电子、离子 束、X射线代替光束对材 料进行刻蚀，从而制备 出线宽更小的量子线和 量子点。利用这种方法 原则上可以制备最小特 征宽度为10nm左右的结 构。表1给出了这一技术
半导体量子点的主要性质
假设某时刻电子通过样品时只有两条路径,那麽由两个波函 数叠加得到的几率分布为：
当样品的尺寸远大于状态相干长度时,电子会遭受非弹性 散射,上式最后一项的平均值为零;如果样品尺寸与相位相干长 度同一量级,交叉项就会有一比值,由于通过不同路径时遇到杂 质的情况不同,所以此值随机变化. 如果在样品的两端放置两 个探头,理论上来说就能够测量到干涉结果,这就是量子干涉现 象. 所以在相位相干长度内,载流子所输运的电流不仅与其速
国内外所达到的水平”。 用光刻技术在Si衬底上制备GaAs量子点的示意图
半导体量子点材料的制备技术
国内外量子点细微加工水平
方法
国外
国内
X-ray光刻技术 最小线度80nm， 0.8～1.0μm 接触曝光 10nm
电子束光刻技 术
束斑直径 实现70nm图形，
Φ<1nm，采
一般为
用PMMA胶已 100～200nm
半导体量子点的主要性质
(a)半导体材料受限维 度变化的示意图;
(b)半导体材料受限维 度对电子态密度影 响的示意图。
（1）体相半导体； （2）量子阱；（3） 量子线；（4）量 子点。
半导体量子点的主要性质
对于纳米半导体颗粒（量子点），由于 三维限域作用，其载流子（电子、空穴）在 一个类似于准零维的量子球壳中运动，相应 的电子结构也从体相连续能带变成分裂的能 级。下图 是半导体材料从体相到量子点电子 结构变化示意图。三维限域作用导致电子和 空穴的动能增加, 使原来的能隙增大，从而使 光学吸收边蓝移。
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
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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
（Quantum Dot）
量子点的定义 三种效应 量子点应用领域
什么是量子点？？？
电子在各方向上运动受到局 限 （量子局限效应显著）
准零维纳米材料
（三个维度在100nm以下）
不连续电子能级结构 ——人造原子
Hale Waihona Puke 量子点的定义 三种效应 量子点应用领域
量子局限效应
nh E 8m l2
1.能量量子化 2.存在零点能 3.没有经典运动轨道，只有概率分布
因此，随着粒子质量m的增大，电子运动 范围 l的增大，量子效应减弱，当 m、l增大到 宏观数量时，量子效应消失，体系变为宏观 体系，遵循经典力学
2
2
量子尺寸效应
通过控制量子点的形状、结构 和尺寸，就可以方便地调节其能隙 宽度、激子束缚能的大小以及激子 的能量蓝移等电子状态。随着量子 点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸 收谱出现蓝移现象。尺寸越小，则 谱蓝移现象也越显著，这就是人所 共知的量子尺寸效应。
谢谢你们
MR.Science is never dead
激发光-虚线；发射光-实线；半峰高宽度：67nm vs. 32nm；10%峰高宽度：100nm vs. 67nm；量子点光谱优点： 无红外延伸，连续、宽激发谱
医学上的应用：荧光标记
量子点
量子点具尺寸效应，基本上高于 特定域值的光都可吸收 单一种类的量子点能够按尺寸变 化产生发光波长不同的、颜色分明 的标记物
有机染料
只有吸收合适能量光子才能从基 态升到较高的激发态，所用的光必 须是精确的波长或颜色 单一种类的染料分子，只能发出 固定波长、单一颜色的标记物
无机微晶能够承受多次的激发和光 发射
有机分子却会分解
总而言之，量子点具有激发光谱宽且连续 分布，而发射光谱窄而对称，颜色可调，光化 学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性， 是一种理想的荧光探针。
量子点
量子点量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。
粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。
量子点，通常是一种由II一Vl族或III-V族元素组成的纳米颗粒，尺寸小于或者接近激子波尔半径（一般直径不超过10nm），具有明显的量子效应。
量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三量子点个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。
量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。
这种约束可以归结于静电势（由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生），两种不同半导体材料的界面（例如：在自组量子点中），半导体的表面（例如：半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。
量子点具有分离的量子化的能谱。
所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。
一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子、空穴或空穴电子对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。
主要性质：(l)量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。
通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。
(2)量子点具有很好的光稳定性。
量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。
因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。
(3)量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。
使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了荧光标记在中的应用。
而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给实际的研究工作带来了很多不便。
此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。
(4)量子点具有较大的斯托克斯位移。
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(5)生物相容性好。 (6)量子点的荧光寿命长。
总而言之，量子点具有激发Байду номын сангаас谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色可 光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光探针。
类型 划分：
• 量子点按其几何形状，可分为箱形量子点、球形量子点、 四面体量子点、柱形量子点、立方量子点、盘形量子点和 外场（电场和磁场）诱导量子点；按其电子与空穴的量子 封闭作用，量子点可分为1型量子点和2型量子点；按其材 料组成，量子点又可分为元素半导体量子点，化合物半导 体量子点和异质结量子点。此外，原子及分子团簇、超微 粒子和多空硅等也都属于量子点范畴。
定义：
• 量子点，通常是一种由n一Vl族或m一V族元素组成的纳米颗粒，直 径在1一1oonm之间，能够接受激发光产生荧光的半导体纳米颗粒。 量子点在生物标记、太阳能电池和发光器件等领域具有广泛的应用前 景。
主要 性质：
• (l)量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。 (2)量子点具有很好的光稳定性。 (3)量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。
量子点
量子点(quantum dot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米 材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都 在100纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各 方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。