量子点及其应用

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1、量子点及其应用（生物物理学系张伟10281032）摘要：量子点的研究涉及物理、化学、材料、生物等多学科，本文阐述了量子点的量子效应及其独特的光学特性，并介绍了其在生命科学领域和光学器件方面的应用。关键词：量子点，表面效应，量子限域效应，宏观隧道效应，尺寸效应，荧光探针，生物芯片子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体1量子家族的新贵——量子点系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏观体材料的物理化量子点（quantumdot，QD）又可称为学性质，在非线形光学、磁介质、催化、医半导体纳米微晶体（semiconductor药及功能材

2、料等方面具有极为广阔的应用nanocrystal），是一种由II-VI族或III-V族元前景，同时将对生命科学和信息技术的持续素组成的稳定的、溶于水的、尺寸在2~20nm发展以及物质领域的基础研究发生深刻的之间的纳米晶粒（见表1和图1）。目前研究影响。较多的是CdS、CdSe、CdTe、ZnS等。近年2．1表面效应表面效应是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。由于纳米颗粒大来，半导体量子点由于其独特的性质越来越的比表面积，表面相原子数的增多，导致了受到人们的重视，其研究内容涉及物理、化表面原子的配

3、位不足、不饱和键和悬键增学、材料、生物等多学科，已成为一门新兴多．使这些表面原子具有高的活性，极不稳的交叉学科。定，很容易与其它原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对图1大小为5nm的CdSe量子点内的原子排列TEM图光反射系数显著下降，通常低于1%，因而纳米金属颗粒

4、一般呈黑色，粒径越小，颜色2量子点的量子效应越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限2．2量子限域效应域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量由于量子点与电子的DeBroglie波长、量子功能器件不仅仅在于功能元件尺相干波长及激子Bohr半径可比拟，电子局寸的减小，更重要是纳米尺寸的功能器件所限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平依赖的量子效应．在纳米电子器件中，最具均自由程很短，电子的局域性和相干性增有特色的是单电子器件．其典型结构是量子强，将引起量子限域效应。

5、对于量子点，当点，它的电子结构特点是一个势阱内具有分粒径与Wannier激子Bohr半径aB相当或更立能级的量子点。在单电子晶体管只要控制小时，处于强限域区，易形成激子，产生激单个电子的运动，就可以观测到单电子隧道子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收效应，即可实现读写功能，其响应速度可提3系数增加，出现激子强吸收。由于量子限域高10量级。这种单电子输运现象在C60和效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝C纳米管中已经得到观测．目前，室温单电移。最新的报道表面，日本NEC已成功地子器件，例如单电子晶体管、单电子超高密制备了量子点阵，在基底上沉积纳

6、米岛状量度存储器，是纳米电子学的热点研究方向之子点阵列。当用激光照射量子点使之激励时，量子点发出蓝光，表明量子点确实具有2．4量子尺寸效应关闭电子的功能的量子限域效应。当量子点的粒径大于Waboer激子Bohr半径岭时，处通过控制量子点的形状、结构和尺寸，于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能由干带间跃迁的一系列线谱组成。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2．3宏观量子隧道效应谱出现蓝移现象。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传统的功能材料和元

7、件，其物理尺寸远应。大于电子自由程，所观测的是群电子输运行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要3量子点的应用及其前景是宏观物理量．当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑量子隧道效应。100nm被认3．1量子点在生命科学中的应用为是微电子技术发展的极限，原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性，其量子很多现代发光材料和器件都由半导体效应将起主要功能．电子在纳米尺度空间中量子结构所构成，材料形成的量子点尺寸都运动，物理线度与电子自由程相当，载流子与过去常用的染料分子的尺寸接近，因而象的输运过程将有明显电子的波动性，出现量荧光染料一样对生物医学研究

8、有很大用途。子隧道效应，电子的能级是分立的．利用电从生物体系的发光标记物的差别上讲，量子子的量子效应制造的量子器件，要实现量子点由于量子