量子点

1981年，瑞士物理学家在水溶液中合成出了硫化镉胶体。[16] 1983年，贝尔实验室科学家布鲁斯证明了改变硫化镉胶体的大小，其激子能量也随之变化。于是，他将这种胶体与量子点的概念联系起来，首次提出胶状量子点（colloidal quantum dot）。[17] 1993年，麻省理工学院巴文迪(M. G. Bawendi)教授领导的科研小组第一次在有机溶液中合成出了大小均一的量子点。[18]他们将三种氧族元素（硫、硒、碲）溶解在三正辛基氧膦中，而后在200到300摄氏度的有机溶液中与二甲基镉反应，生成相应的量子点材料（硫化镉，硒化镉，碲化镉）。之后人们在此种方法的基础上发明出了许多合成胶状量子点的方法。目前大部分半导体材料都可以用化学溶液生长的方法合成出相应的量子点。

胶状量子点具有制作成本低，产率大，发光效率高（尤其是在可见光和紫外光波段）等优点。但缺点是电导率极低。由于在生产过程中在量子点表面产生有机配体，抵消量子点之间的范德瓦耳斯吸引力，以维持其在溶液中的稳定性。但这层有机配体极大的阻碍了电荷在量子点之间的传输。這點大大降低了奈米微晶在太陽電池和其它的元件上的應用。科学家们曾尝试用各种方法提高电荷在这种材料中的传导率。有代表性的是2003年芝加哥大学的Guyot-Sionnest教授用较短链的氨基物取代原有的长链的有机配体，将量子点间距缩小，并用电化学的方法将电子大量注入量子点内，将电导率提高到了0.01S/cm。[19]

2009年，芝加哥大學的Dmitri Talapin教授開發出一種新的方法，用无机物取代了之前附着在量子点表面的有机配体，能讓個別奈米微晶以強連結的方式相互結合成陣列，克服了前述的問題。Talapin表示，他們的方法提供一個材料設計的多功能的平台，將會對電子元件、光伏元件和熱電（thermoelectrics）元件的製作帶來衝擊。另外，此方法提高全溶液（all-solution）元件製作的可能性，讓此材料在連續式滾筒（roll-to-roll）製程的應用上增添不少吸引力，例如薄膜太陽能電池的製作。研究人員使用一種名為複合金屬硫化物（metal chalcogenide complex）的材料，來將膠體狀的奈米晶體相互黏合。其配位基較先前使用的有機配位基更為穩定、堅固，而且不會改變奈米晶體的化學性質，還可讓奈米晶體間的電荷轉移更有效率。Talapin等人確實觀察到系統中的導電率相比于以往方法得到的提高了一千倍。目前，該團隊正在研究如何在實際應用上使用奈米晶體的連接技術，並且調查除了金屬硫化物材料外，是否還有其它合適的材料。芝加哥大學已授權Evident Technologies公司在熱電應用上採用此技術。[20]

胶体量子点的另一个热点领域是磁性研究。直到目前，半導體只能在相當低溫下呈現磁性，原因是磁化半導體奈米微粒需要靠激子（exciton）之間的磁性交互作用，但此作用的強度在30 K附近就不足以對抗熱效應。

最近，華盛頓大學的Daniel Gamelin等人製造出掺雜的奈米微晶，它們的量子局限效應（quantum confinement effect）使激子具有很大的磁性交互作用，且生命周期可長達100 ns，比先前的記錄200皮秒（picosecond, ps）高出很多。研究人員利用光將激子注入膠狀奈米微晶中，產生相當強的光誘發磁化（light-induced magnetization）現象。

華盛頓大學團隊成功的關鍵在於以磁性錳離子取代硒化镉（CdSe）半導體奈米微晶中的部份鎘離子。這些懸浮在膠狀溶液中的微晶大小不到10 nm，照光時內部產生的強大磁場可將錳離子的自旋完全排正。Gamelin表示，排正的過程非常快，此效應在低溫時非常強，且可維持到室溫。這要歸功於第一次在研究中被觀察到的高溫磁激子（excitonic magnetic polaron, EMP）。Gamelin解釋，由於掺質-載子間的交互作用夠強，EMP穩定性因而增強超過100倍，所以才能在300 K下觀察到磁化效應。

美國科學家開發出一種新型的電子膠（electronic glue），能將個別的奈米晶體（nanocrystals）連接在一起。這種電子膠還能用來製作大面積的電子元件和光伏（photovoltaics）元件。

利用旋轉或浸泡塗佈（dip coating）和噴墨印刷等溶液類製程來製作大面積太陽能電池，例如便宜的屋頂太陽能面板，是高成本效益的方法。不過這些技術必須讓半導體溶解，以方便做為墨水（ink）使用。半導體奈米微晶是微小的半導體塊狀物，是製作此類墨水的理想材料。

此外，膠狀半導體量子點與軟式微影術（soft lithography）及噴墨印刷術（in-jet printing）等常見的製程相容。Gamelin認為膠體可望成為奈米科技在各種元件應用上的新工具箱。[21]

磊晶生長法是指在在一種基板材料上長出新的结晶，如果结晶足够小，就会形成量子点。根据生长机理的不同，该方法又可以细分成化学气相沉积法和分子束磊晶法。

这种方法生长出的量子点长在另一种半导体上，很容易与传统半导体元件结合。另外由于没有有机配体，磊晶量子点的电荷传输效率比胶体量子点高，并且能级也比胶体量子点更容易调控。同时，也具有表面的缺陷少等优点。然而，由于化学气相沉积和分子束磊晶都需要高真空或超高真空，因此相比于胶体量子点，磊晶量子点的成本较高。

电场约束法是指，完全利用调控金属电极的电势使半导体内的能级发生扭曲，形成对载流子的约束。由于量子点所需尺寸在纳米级别，因此金属电极需要用电子束曝光的方法制作。成本最高，产率也最低。但用这种方法制作出的量子点，可以简单通过调控门电压控制其能级，载流子的数量和自旋等。由于极高的可控性，这种量子点也最适合于用作量子计算。[22]

2019 年12 月，羅伯特·S·蘭格(Robert S. Langer) 教授和他的團隊開發了一項技術並獲得了專利，透過該技術，透皮貼片可用於在帶有隱形墨水的人身上應用識別紋身，以在皮下儲存資訊。 這被認為是對「發展中國家」的福音，因為這些國家缺乏基礎設施意味著沒有醫療記錄[37][38]。 這項技術被分配給麻省理工學院[38]， 使用「量子點染料，在這種情況下與疫苗一起透過微針貼片傳遞」。 該研究「由比尔及梅琳达·盖茨基金会以及科赫綜合癌症研究所資助。」[37]

在現代生物分析中，使用各種有機染料。 然而，隨著技術的進步，人們尋求這些染料更大的靈活性[39]。 為此，量子點很快就填補了這一角色，人們發現它在幾個方面優於傳統有機染料，其中最明顯的一個是亮度（由於高消光係數以及與螢光染料相當的量子產率）以及它們的穩定性（允許更少的光漂白）[40]。 據估計，量子點比傳統螢光報告劑亮20倍，穩定100倍[39]。 對於單粒子跟踪，量子點的不規則閃爍(Fluorescence intermittency)是一個小缺點。 然而，已經有一些小組開發出了本質上不閃爍的量子點，並證明了它們在單分子追蹤實驗中的實用性[41][42]。

使用量子點進行高靈敏度細胞成像已經取得了重大進展[43]。 例如，量子點改進的光穩定性允許採集許多連續的焦平面影像，這些影像可以重建為高解析度的三維影像[44]。 利用量子點探針非凡的光穩定性的另一個應用是長時間即時追蹤分子和細胞[45]。 抗體、链亲和素[46]、 肽[47]、 DNA[48]、 核酸適體[49]、 或小分子配體[50]、 可用於將量子點靶向細胞上的特定蛋白質。 研究人員能夠在小鼠淋巴結中觀察量子點超過4個月[51]。

量子點的可調諧吸收光譜和高消光係數使其對光伏等光收集技術具有吸引力。 量子點或許能夠提高當今典型矽光電池的效率並降低成本。 根據2004年的一項實驗報告[52]，硒化鉛（PbSe）量子點可以透過載子倍增或多激子生成（MEG）過程從一個高能量光子產生多個激子。這與當今的光伏電池相比具有優勢，後者只能管理每個高能量光子一個激子，高動能載流子以熱量的形式損失能量。 另一方面，摻入寬帶隙主體半導體（例如鈣鈦礦 Perovskite solar cell）中的膠體量子點（例如硫化鉛，PbS）的量子限制基態可以允許能量低於主體帶隙的光子產生光電流，透過雙光子吸收過程，提供了另一種方法（稱為中間波段，IB）來利用更廣泛的太陽光譜，從而實現更高的光电转换效率[53][54]。

理論上，膠體量子點光伏電池的製造成本會更低，因為它們可以透過簡單的化學反應來製造。

三星 QLED 電視 8K, 75英寸（190）

量子點對於顯示器很有價值，因為它們發出非常特定的高斯分佈的光。 這可以使顯示器的顏色明顯更準確。

傳統的彩色液晶顯示器 (LCD) 通常採用螢光燈 (CCFL) 或傳統的白色LED進行背光照明，這些LED經過濾色以產生紅色、綠色和藍色像素。 量子點顯示器使用發藍光的 LED 而不是白光 LED 作為光源。 發射光的轉換部分透過放置在藍色 LED 前面的相應顏色量子點或使用背光光學堆疊中註入量子點的擴散片轉換為純綠光和紅光。 空白像素也用於讓藍色 LED 燈仍然產生藍色色調。 這種類型的白光作為 LCD 面板的背光，能夠以比使用三個 LED 的 RGB LED 組合更低的成本實現最佳色域[55]。