量子點(quantum dot，QD)的應(yīng)用與展望

邱 軍，魯韶芬，張曉凱，劉佳琦

(1.山東師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東師范大學(xué) 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；3.山東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

1 量子世界的新寵兒—量子點

量子點(quantum dot，QD)[1-3]由II-VI族或III-V族元素組成的納米顆粒(表1)。量子點由核、殼兩部分組成，核一般使用CdX(X=S,Se,Te)作為材料，殼部分是由不同禁帶寬度的其他材料或者真空介質(zhì)組成。研究表明量子點可以在標(biāo)記肽鏈和脫氧核糖核苷酸長鏈聚合物等生物化學(xué)方面具有突出表現(xiàn)，這引起了生物學(xué)家、化學(xué)家、物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。由于其研究方向涉及物理、化學(xué)、生物醫(yī)藥等多門交叉學(xué)科，因此量子點具有相當(dāng)巨大的發(fā)展應(yīng)用前景。

表1 量子點

2 量子尺寸效應(yīng)

粒子的尺寸不是一成不變的，粒子的尺寸隨外界的變化可以發(fā)生相應(yīng)的改變。正是由于這一特性，當(dāng)下降到某一數(shù)值時，會出現(xiàn)費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的特殊現(xiàn)象[4-5]。

3 量子點的應(yīng)用及其發(fā)展前景

量子點作為一種新的研究領(lǐng)域，在短時間內(nèi)就吸引了眾多領(lǐng)域的科學(xué)家的眼球，科學(xué)家們積極參與到量子點的研究當(dāng)中。量子點具有特殊構(gòu)造，在物理化學(xué)特性方面既不同于微觀的分子、原子，也不同于宏觀物體，而是介于兩者之間領(lǐng)域，所以半導(dǎo)體納米晶具有許多材料沒有的性質(zhì)。在量子力學(xué)獨特的規(guī)則下，量子點具有獨一無二的尺寸效應(yīng)。正是因為量子點與生俱來的獨特性質(zhì)，科學(xué)家在對其研究方面更重視其用途，試圖擴(kuò)張量子點的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，這使得量子點具有更廣闊的發(fā)展前景。

3.1 量子點應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域

現(xiàn)代很多的熒光材料都是由半導(dǎo)體納米晶結(jié)構(gòu)組成，納米晶具有傳統(tǒng)染料分子的一切優(yōu)點，同時也具有傳統(tǒng)染料分子所不能與之相比的特殊功能(表2)，因此，量子點對生物、醫(yī)學(xué)方面的研究大有幫助[6]。

表 2 量子點與傳統(tǒng)有機(jī)染料分子的區(qū)別

3.1.1 量子點作為熒光探針

傳統(tǒng)熒光探針與量子點作為熒光探針[7]相比，真是天壤之別。正是由于量子點具有激光光譜較寬、分布連續(xù)，以及發(fā)射光譜分布對稱、寬度窄、顏色豐富等優(yōu)點。所以QD能解決很多傳統(tǒng)熒光探針不能解決的問題。但是不同材料的量子點會出現(xiàn)的偶聯(lián)問題仍是目前限制量子點發(fā)展的主要問題?？茖W(xué)家預(yù)計，如果解決了不同材料的量子點會出現(xiàn)的偶聯(lián)問題，研究員就可以將量子點作為熒光探針與特異性抗體結(jié)合，熒光探針就隨著特異性抗體與細(xì)胞內(nèi)的不同細(xì)胞器特異性結(jié)合后，分辨不同的細(xì)胞器。由于一個種類不同尺寸的半導(dǎo)體納米晶能夠按照尺寸的變化相應(yīng)發(fā)生變化，產(chǎn)生一系列波長不同和顏色不同的標(biāo)記系統(tǒng)，而且熒光強(qiáng)度強(qiáng)，高穩(wěn)定性和持久性，使得半導(dǎo)體納米晶能夠承受多次激發(fā)而保持原狀態(tài)，便于研究員的長時間的實驗觀測，光學(xué)特性也不會發(fā)生明顯的改變。例如：生物過程是一個耗時久的反應(yīng)過程，若將過程中所需的生物分子用量子點作為熒光探針進(jìn)行標(biāo)記，就可以觀測到給受體之間相互作用的全過程。假設(shè)被標(biāo)定的不同分子之間若相互靠近，這一地域的光譜也會隨之發(fā)生變化，比如光譜發(fā)生疊加,更有甚者，在條件充足的情況下，能量轉(zhuǎn)移也不是不可能發(fā)生。

3.2 量子點在醫(yī)學(xué)藥物方面的應(yīng)用

由于不同尺寸的量子點可以產(chǎn)生不同的標(biāo)記顏色，科學(xué)家將不同尺寸的量子點與不同靶細(xì)胞結(jié)合，便可檢測出藥物作用的靶細(xì)胞[8-9]，從而篩選藥物；眾所周知，厘米級厚度的組織，紅外線可以輕松穿透而可見光則不能。因此，可以利用在紅外區(qū)發(fā)光的量子點標(biāo)記組織，在紅外光激發(fā)下，通醫(yī)學(xué)成像的檢測原理進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷。

3.3 量子點在指紋顯現(xiàn)中的應(yīng)用

2000年，美國的MENZEL等[10-11]首次報道了CdS量子點用于易拉罐表面的指紋顯現(xiàn)，開創(chuàng)了量子點作為新材料在指紋顯現(xiàn)方面應(yīng)用的先例。隨后，MENZEL等[12]利用PAMAM(聚酰胺‐胺型樹形分子)作為模板，通過樹形分子的空間限閾效應(yīng)來控制包裹在樹形分子內(nèi)的CdS量子點的生長，合成的CdS/PAMAM聚合物用甲醇作為溶劑稀釋后，成功地用于鋁箔和聚乙烯樣品上的潛指紋顯現(xiàn)。他們認(rèn)為，CdS/PAMAM表面的氨基或羧基等官能團(tuán)能與指紋殘留物作用使CdS/PAMAM 沉積到指紋紋線上，在紫外光照射下，通過CdS/PAMAM 聚合物的熒光顯現(xiàn)指紋。熊海等[13]在有機(jī)相中合成了InP量子點，通過相轉(zhuǎn)移、紫外光照復(fù)合等過程得到了巰基乙酸修飾的InP/ZnS量子點，其熒光發(fā)射波長從450 nm 紅移至575 nm，在紫外光照下可以清晰顯現(xiàn)出指紋圖像。該方法可用于不同背景顏色的多種客體(如透明膠帶、黑色塑料袋、錫紙等)表面指紋的鑒定[14]。

3.4 量子點在改進(jìn)太陽能電池方面的應(yīng)用

太陽能電池顧名思義是充分利用太陽光的能量，通過光電效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。普通太陽能電池不能充分利用太陽光能，轉(zhuǎn)化過程中熱損失較大，造成光電效率轉(zhuǎn)化率低的缺陷?？茖W(xué)家[15-16]利用硅半導(dǎo)體材料作為太陽能和電能轉(zhuǎn)化的介質(zhì)，研發(fā)出普通半導(dǎo)體材料太陽能電池。硅半導(dǎo)體材料經(jīng)太陽輻射之后，內(nèi)部的電子會自由移動形成電流。正是這種半導(dǎo)體材料具有的特殊性質(zhì)，半導(dǎo)體材料普通太陽能電池才可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是實際生產(chǎn)中的結(jié)果卻不令人滿意?？茖W(xué)家了解到，只有當(dāng)這些自由電子定向移動到電極時才會產(chǎn)生電流，事實上移動到電極的自由電子很少，造成對太陽能的轉(zhuǎn)化率較低，所以普通半導(dǎo)體材料太陽能電池不能將太陽能完全轉(zhuǎn)化成電能。科學(xué)家設(shè)想，如果將量子力學(xué)理論引進(jìn)普通半導(dǎo)體材料太陽能電池之中，是否就可以彌補(bǔ)了普通半導(dǎo)體材料太陽能電池實際發(fā)電效率低的缺陷?？茖W(xué)家進(jìn)行了大量的理論計算，得出的結(jié)果令在場人都頗為震驚。這種電池材料不僅價格更加低廉，而且可以做到充分利用太陽光能源的同時轉(zhuǎn)化過程中的消耗微乎其微，使太陽能電池對光電的轉(zhuǎn)化率提高一倍。盡管目前這種超級電池尚在研發(fā)當(dāng)中，是否真如科學(xué)家預(yù)想的那樣卓越、何時才能公布于眾，至今還是個未知數(shù)。但是不可否認(rèn)的是量子點太陽能電池正成為一種研發(fā)的新趨勢，是目前最受關(guān)注的科研話題。人們相信這種超級電池可以完全解決普通半導(dǎo)體材料電池能耗高、光電轉(zhuǎn)換效率低等缺點，量子點太陽能電池將會在未來的太陽能轉(zhuǎn)換利用中展現(xiàn)出卓越技能和光明前景。

量子點敏化太陽能電池-是目前已經(jīng)研發(fā)出的量子點太陽能電池之一。量子點敏化電池是介于普通半導(dǎo)體材料太陽能電池和超級電池(量子點太陽能電池)之間的一種電池。所以量子點敏化電池不能稱為真正的量子點太陽能電池，它只是一種過渡產(chǎn)品。真正意義上的量子點太陽能電池還在研發(fā)階段。量子點太陽能電池需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換方式的研究，對介質(zhì)的選擇也尤為必要，介質(zhì)是研究超級電池的重點和熱點，超級電池的介質(zhì)材料既要有超高的轉(zhuǎn)化率又要成本低廉，量子點太陽能的研發(fā)工作還有很長的一段路要走。作為過渡產(chǎn)品的量子點敏化太陽能電池，是以染料敏化太陽能電池(DSSC)為基礎(chǔ)，運(yùn)用相似的工作原理設(shè)計研發(fā)出來的新型太陽能電池。量子點敏化太陽能電池光陽極采用量子點附著和光生電子注入的載體構(gòu)成，載體主要由二元半導(dǎo)體氧化物充當(dāng)。

4 結(jié)語

量子點作為一種新的研究領(lǐng)域，在短時間內(nèi)就吸引了眾多領(lǐng)域的科學(xué)家的眼球?？茖W(xué)家們積極參與到量子點的研究當(dāng)中，更說明了量子點的研究關(guān)乎著科技的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展。量子點技術(shù)目前還處于初級理論階段，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)量子點在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的有著重要的地位?？茖W(xué)家設(shè)想如果能夠?qū)⒘孔狱c完全實際應(yīng)用于我們的生活，我們的生活將會更加便捷、更加美好。這是科學(xué)家以及所有人的一種完美憧憬?？茖W(xué)家們正完全致力于量子點的研究，試圖將量子點的應(yīng)用從理論走向生活，付諸實際。量子點技術(shù)是一種高新技術(shù)，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了量子點作為熒光探針、量子點在醫(yī)學(xué)藥物方面的應(yīng)用、量子點在改進(jìn)太陽能電池方面的應(yīng)用等多方面應(yīng)用中的突出表現(xiàn)，量子點正在一點一點滲入我們的生活。量子點的研究還處于起步階段，隨著社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，量子點的研究范圍正在逐步擴(kuò)大。量子點作為一種全新的理念正在被大家所熟知，半導(dǎo)體微晶體還有更多的奧秘等著我們?nèi)ラ_拓，去發(fā)現(xiàn)。量子點的研究正邁著強(qiáng)有力的步伐帶著深遠(yuǎn)的影響前進(jìn)，量子點的應(yīng)用正展現(xiàn)出光明前景。

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