量子點( QD ) 或半導體納米晶體是尺寸為幾納米的半導體粒子，其光學和電子特性通過量子力學效應與較大粒子的特性不同。當量子點被紫外線照射時，量子點中的電子可以被激發(fā)到更高能量的狀態(tài)。對于半導體量子點而言，該過程對應于電子從價帶到導帶的躍遷。激發(fā)的電子可以落回價帶，將其能量釋放為光。當量子點中的能帶結構不再明確時，光的顏色取決于導帶和價帶之間的能量差，或者取決于離散能態(tài)之間的躍遷。

       用紫外線照射的膠體量子點，由于量子限制，不同大小的量子點會發(fā)出不同顏色的光。

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       本文通過以下幾點介紹麥克林量子點相關實驗試劑的產品特性及應用：

        1. 光學特性

        2. 合成與制備

        3. 半導體中的量子限制

        4. 麥克林量子點試劑介紹

光學特性

       量子點的光學特性主要為帶隙可調性。當電子被激發(fā)到導帶時，它會在價帶中留下一個空位，稱為空穴。這兩個相反的電荷通過庫侖相互作用結合在一起，形成所謂的激子，它們的空間分離由激子玻爾半徑定義。在與激子玻爾半徑尺寸相當?shù)募{米結構中，激子在物理上被限制在半導體內，從而導致材料的帶隙增加。可以使用 Brus 模型預測這種依賴性。

       上圖是激子實體中激發(fā)電子和空穴以及相應能級的簡化表示。所涉及的總能量可以看作是帶隙能量、激子中庫侖引力所涉及的能量以及激發(fā)電子和空穴的限制能的總和。

       由于限制能取決于量子點的尺寸，因此可以通過在合成過程中改變量子點的尺寸來調整吸收開始和熒光發(fā)射。點越大，其吸收開始和熒光光譜越紅（能量越低）。相反，較小的點吸收和發(fā)射藍（能量越高）的光。

合成與制備

       合成量子點的方法有很多種。主要方法包括膠體合成、等離子合成、病毒組裝和電化學組裝等。

      膠體合成

       膠體半導體納米晶體由溶液合成，與傳統(tǒng)化學過程非常相似。主要區(qū)別在于產品既不會以塊狀固體形式沉淀，也不會保持溶解狀態(tài)。在高溫下加熱溶液，前體分解形成單體，然后單體成核并產生納米晶體。溫度是確定納米晶體生長最佳條件的關鍵因素。溫度必須足夠高，以便在合成過程中允許原子重新排列和退火，同時又要足夠低以促進晶體生長。單體濃度是納米晶體生長過程中必須嚴格控制的另一個關鍵因素。納米晶體的生長過程可以發(fā)生在兩種不同的狀態(tài)下：“聚焦”和“散焦”。在高單體濃度下，臨界尺寸（納米晶體既不生長也不收縮的尺寸）相對較小，導致幾乎所有粒子都會生長。在這種情況下，較小的粒子比大粒子生長得更快（因為較大的晶體比小晶體需要更多的原子來生長），導致尺寸分布集中，產生幾乎單分散的粒子的不可能分布。當單體濃度保持為平均納米晶體尺寸始終略大于臨界尺寸時，尺寸集中是最佳的。隨著時間的推移，單體濃度降低，臨界尺寸變得大于平均尺寸，分布變得不集中。

高溫膠體合成技術的示意圖

      等離子合成

       等離子體合成已發(fā)展成為生產量子點（尤其是具有共價鍵的量子點）最流行的氣相方法之一。例如利用非熱等離子體合成了硅和鍺量子點。 在非熱等離子體中，量子點的尺寸、形狀、表面和成分都可以控制。對于量子點來說，似乎頗具挑戰(zhàn)性的摻雜也已在等離子體合成中實現(xiàn)。等離子體合成的量子點通常為粉末形式，可以對其進行表面改性。 這可以使量子點在有機溶劑或水中實現(xiàn)優(yōu)異的分散。

混合核/殼納米粒子的微波等離子體合成設置方案

半導體中的量子限制

       量子點中單個粒子的能級可以用盒子模型來預測，其中狀態(tài)的能量取決于盒子的長度。對于量子點內的激子，帶負電的電子和帶正電的空穴之間也存在庫侖相互作用。通過比較量子點的大小和激子玻爾半徑，可以定義三種狀態(tài)： 

       （1）在“強限制狀態(tài)”下，量子點的半徑比激子玻爾半徑小得多，限制能大于庫侖相互作用。

       （2）在“弱限制”狀態(tài)下，量子點大于激子玻爾半徑，限制能小于電子和空穴之間的庫侖相互作用。

       （3）激子玻爾半徑和限制勢相當?shù)臓顟B(tài)稱為“中等限制狀態(tài)”。

      帶隙能量

       在強限制區(qū)，能級分裂后，帶隙會變得更小。激子玻爾半徑可表示為：

       其中aB  = 0.053 nm 是玻爾半徑，m是質量，μ是約化質量，ε r是尺寸相關的介電常數(shù)（相對介電常數(shù)）。這導致總發(fā)射能量增加（強限制狀態(tài)下較小帶隙中的能級總和大于弱限制狀態(tài)下原始能級帶隙中的能級），并且各個波長的發(fā)射增加。如果 QD 的尺寸分布不夠尖銳，則多個發(fā)射波長的卷積會以連續(xù)光譜的形式被觀察到。

      約束能量

       激子實體可以用盒子中的粒子來建模。電子和空穴可以看作玻爾模型中的氫，其中氫原子核被帶正電荷和負電子質量的空穴所取代。然后，激子的能級可以表示為基態(tài)（ n = 1）盒子中粒子的解， 其中質量被約化質量所取代。因此，通過改變量子點的尺寸，可以控制激子的限制能。

麥克林量子點試劑介紹

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【量子點試劑專題頁】

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