量子點(diǎn)發(fā)光研究—從材料到應(yīng)用

2023年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，美國麻省理工學(xué)院的蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美國納米晶體科技公司的阿列克謝·埃基莫夫（Alexei I. Ekimov）和美國哥倫比亞大學(xué)的路易斯·布魯斯（Louis E. Brus）榮膺2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，表彰他們 “發(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)”的科學(xué)貢獻(xiàn)。

量子點(diǎn)是什么？

其實(shí)量子點(diǎn)是一類微小顆�；蚣{米晶體，其三個(gè)維度上的尺寸都不大于其對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料的激子玻爾半徑的兩倍。量子點(diǎn)一般為球形或類球形，其直徑常在2-20 nm之間。簡單來講，量子點(diǎn)是把導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子(電子-空穴對(duì))在三個(gè)空間維度上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。常見的量子點(diǎn)由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素組成。

量子點(diǎn)顯示出獨(dú)特的電子性質(zhì)，介于宏觀半導(dǎo)體和離散分子之間。其獨(dú)特性質(zhì)一部分是由于這些粒子具有異常高的表面積/體積比所造成的。由此造成的最明顯的結(jié)果是熒光性，而發(fā)出的光的頻率會(huì)隨著量子點(diǎn)尺寸的改變而變化，也就是納米晶體可以產(chǎn)生由顆粒尺寸所確定的獨(dú)特顏色。

量子點(diǎn)有哪些性質(zhì)？

（1）量子點(diǎn)的發(fā)射光譜可以通過改變量子點(diǎn)的尺寸大小來控制。通過改變量子點(diǎn)的尺寸和它的化學(xué)組成可以使其發(fā)射光譜覆蓋整個(gè)可見到近紅外光區(qū)。

（2）量子點(diǎn)具有很好的光穩(wěn)定性。量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度比最常用的有機(jī)熒光材料“羅丹明6G”高20倍，它的穩(wěn)定性更是“羅丹明6G”的100倍以上。因此，量子點(diǎn)可以對(duì)標(biāo)記的物體進(jìn)行長時(shí)間的觀察，這也為研究細(xì)胞中生物分子之間長期相互作用提供了有力的工具。

（3）量子點(diǎn)具有寬的激發(fā)譜和窄的發(fā)射譜。使用同一激發(fā)光源就可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒徑的量子點(diǎn)進(jìn)行同步檢測，因而可用于多色標(biāo)記，極大地促進(jìn)了在熒光標(biāo)記中的應(yīng)用。此外，量子點(diǎn)具有窄而對(duì)稱的熒光發(fā)射峰，且無拖尾，多色量子點(diǎn)同時(shí)使用時(shí)不容易出現(xiàn)光譜交疊。

（4）量子點(diǎn)具有較大的斯托克斯位移。量子點(diǎn)不同于有機(jī)染料的另一光學(xué)性質(zhì)就是寬大的斯托克斯位移，這樣可以避免發(fā)射光譜與激發(fā)光譜的重疊，有利于熒光光譜信號(hào)的檢測。

（5）生物相容性好。量子點(diǎn)經(jīng)過各種化學(xué)修飾之后，可以進(jìn)行特異性連接，其細(xì)胞毒性低，對(duì)生物體危害小，可進(jìn)行生物活體標(biāo)記和檢測。

（6）量子點(diǎn)的熒光壽命長。有機(jī)熒光染料的熒光壽命一般僅為幾納秒（這與很多生物樣本的自發(fā)熒光衰減的時(shí)間相當(dāng)）。而具有直接帶隙的量子點(diǎn)的熒光壽命可持續(xù)數(shù)十納秒（20-50 ns)。這樣在光激發(fā)情況下，大多數(shù)的自發(fā)熒光已經(jīng)衰變，而量子點(diǎn)的熒光仍然存在，此時(shí)即可得到無背景干擾的熒光信號(hào)。

應(yīng)用前景

量子點(diǎn)和傳統(tǒng)發(fā)光材料有很大的區(qū)別，以優(yōu)越的光學(xué)特性而令人矚目。基于量子點(diǎn)的多種物理效應(yīng)(如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、介電限域效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)等)，量子點(diǎn)在太陽能轉(zhuǎn)換、發(fā)光和顯示器件、光電探測、催化、分子和細(xì)胞標(biāo)記及超靈敏檢測等領(lǐng)域有許多潛在的應(yīng)用。

光學(xué)方面應(yīng)用實(shí)例包括用于發(fā)光二極管(LED)和固態(tài)照明、顯示器和光伏領(lǐng)域。量子點(diǎn)的小尺寸也意味著電子不必像在較大的粒子上時(shí)需要進(jìn)行移動(dòng)，因此電子設(shè)備可以完成更快的操作。利用這些獨(dú)特電子特性的應(yīng)用實(shí)例包括光電導(dǎo)體、光電探測器、太陽能電池、超快全光開關(guān)、邏輯門以及量子計(jì)算等。量子點(diǎn)的小尺寸、高發(fā)光、窄發(fā)射、低毒性和生物相容性（取決于元素組成）使其成為生物成像、診斷和生物傳感應(yīng)用的完美候選者。

針對(duì)于量子點(diǎn)的發(fā)光特性的研究，譜鐳光電有以下設(shè)備適合于相關(guān)應(yīng)用：

高靈敏的微型光纖光譜儀QEpro：它是具有低雜散光性能的高靈敏度光譜儀。它是各種弱光應(yīng)用的理想選擇，例如熒光、DNA測序和拉曼測量。

EQY量子效率測試系統(tǒng)：針對(duì)于量子點(diǎn)發(fā)光材料或器件，其發(fā)光量子效率是非常重要的，我們基于光纖光譜儀的量子點(diǎn)和新型發(fā)光材料特性測試方案是一套綜合了PL，EL測試功能為一體的OLED，量子點(diǎn)，鈣鈦礦等材料特性測試方案。

其測試優(yōu)勢(shì)在于：

• 體積小巧 — 便于靈活使用及運(yùn)輸
• 原位測量 — 可放置在手套箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)原位測量
• 操作簡單 — 設(shè)備無需頻繁校準(zhǔn)
• 結(jié)果準(zhǔn)確 — 使用NIST溯源的輻射校準(zhǔn)
• 測試高效 — 自動(dòng)測量和遠(yuǎn)程控制，一次多樣品測試
• 結(jié)果清晰 — 專用軟件內(nèi)嵌計(jì)算算法，直接得到測試結(jié)果
• 測試范圍 — 兼容較寬亮度范圍器件，從0.01 nit 到4*10⁶ nit

顯微光譜系統(tǒng)：針對(duì)于較小樣品的量子點(diǎn)材料或器件，使用顯微光譜可更精確地觀測樣品在微觀情況下的各種性質(zhì)。顯微光譜測量系統(tǒng)集成熒光、拉曼和反射光譜測量功能。通過把光譜模塊集成到顯微鏡上，實(shí)現(xiàn)顯微熒光、拉曼和其他光譜信息的測量。系統(tǒng)由光譜儀、激光器、光源、顯微鏡等部分構(gòu)成，自由靈活，幫助用戶快速對(duì)樣品微觀結(jié)構(gòu)，微觀光譜信息的測試和分析；此外系統(tǒng)可以加裝二維電控掃描臺(tái)，通過軟件控制，實(shí)現(xiàn)光譜二維掃面測量功能。

杭州譜鐳光電技術(shù)有限公司代理海洋光學(xué)Ocean Insight的全線產(chǎn)品，公司目前有海洋光學(xué)的光譜儀可以為您提供試用！