问鼎化学诺奖的量子点，可能就用在你家电视上

北京时间10月4日下午5点45分许，瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔化学奖授予美国科学家蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi，美国麻省理工学院）、路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus，美国哥伦比亚大学）和俄罗斯科学家阿列克谢·埃基莫夫（Alexei I. Ekimov，美国纳米晶体科技公司），以表彰他们对量子点的发现和研究。

2023年的诺贝尔奖单项奖金为1100万瑞典克朗（约合人民币722.58万元），相比去年增加了100万瑞典克朗。

01 获奖人物简介

Moungi G. Bawendi，1961年出生于法国巴黎。1988年毕业于美国伊利诺伊州芝加哥大学，获博士学位。美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院（MIT）教授。

Louis E. Brus，1943 年出生于美国俄亥俄州克利夫兰。1969 年获美国纽约哥伦比亚大学（Columbia University）博士学位。美国纽约哥伦比亚大学教授。

Alexei I. Ekimov，1945 年出生于苏联。1974 年毕业于俄罗斯圣彼得堡约菲物理技术研究所，获博士学位。1999年起移居美国，就职于私人商业公司，曾任美国纽约纳米晶体技术公司（Nanocrystals Technology Inc）首席科学家。

02 什么是量子点？

提到量子点，映入脑海的无疑如下图。黑暗中，在紫外灯的照射下，一排试管中的溶液，发出从蓝到红、摄人心魄的纯粹光芒。那么，什么是量子点呢？为什么量子点能发出如此绚丽的色彩？

▲量子点的荧光照片（图片来源/电视常识大讲堂：什么是量子点？）

无论是一块石头还是小到一颗砂砾，都是由原子或分子组成的。一颗砂砾与一块石头相比，体积上相差甚远，而各项物理化学性质都是近乎相同的。但是，当材料的大小进入纳米尺度时，事情开始发生变化。“量子点有许多迷人而不寻常的特性。重要的是，它们根据不同的大小会具有不同的颜色。”诺贝尔化学委员会主席Johan Åqvist说。

我们所说的量子点，又称半导体纳米晶，是由数百或数千原子组成、尺寸一般小于20纳米的半导体晶体颗粒。半导体材料是信息社会的基石，一般是由具有重复单元结构的晶体组成，其半导体性质是由重复单元的类型所决定。由于量子点的尺寸进入纳米尺度，半导体纳米晶体内部重复单元的数目有限，导致材料的电子结构发生很大的变化。

Brus和Ekimov等人将这一尺寸相关的现象描述为量子限域效应（quantum confinement effect）：量子点的电子结构由本体材料（宏观晶体）的连续能带变为分立的能级，带隙随着晶体尺寸的变小逐渐增大。同时，由于量子点的尺寸通常小于激子（电子-空穴对）玻尔半径，光激发产生的激子被牢牢束缚在每颗量子点中，从而实现高效率的辐射复合。以目前研究最广泛的硒化镉(CdSe)量子点为例，其本体硒化镉为黑色粉末，通常并没有荧光效应；而溶液合成的硒化镉量子点，可以通过尺寸改变，实现由蓝光到红光的多种颜色发光。

▲球形量子点结构图（图片来源：第十八届高交会睿泰涂布携量子点技术高峰论坛）

03 胶体中的量子点是怎么做出来的？

胶体量子点通常采用高温热分解有机金属前躯体的方法合成。简单来讲就是将阴离子前驱体快速注入到含有阳离子前驱体的高温反应溶液中，因此也被称为高温热注入法。这个合成方法的反应机理就是反应前驱体浓度瞬间过饱和、超过成核的临界点，然后迅速获得单分散的晶核，将量子点的成核过程和生长过程分开，实现了量子点的快速成核和缓慢生长。

▲量子点合成装置（图片来源：今日新材料）

高温热注入法合成核壳结构量子点可以通过图2所示的装置制备，采用两步法来实现。

第一步合成裸核量子点，随后在室温下经过有机溶剂反复萃取、再通过高速离心去掉反应溶剂和副产物来纯化量子点，纯化时还可以通过选择不同的离心速度来去掉大尺寸和小尺寸的裸核量子点，最后留下中间尺寸、粒径较均一的裸核量子点；

第二步，将裸核量子点重新分散在反应溶液中，包覆表面壳层。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒。而具有直接带隙的量子点的荧光寿命可持续数十纳秒，具有准直接带隙的量子点如硅量子点的荧光寿命则可持续超过100微秒。

这样在光激发情况下，大多数的自发荧光已经衰变，而量子点的荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。

04 量子点的应用

由于量子点丰富的物理化学性质，吸引了很多学者投身其中。经过基础研究的不懈探索，形成了很多重要的前沿技术。

例如，量子点高效稳定的发光特性，使其成为一类经典的荧光标记材料，在生物检测和医学成像领域，被广泛应用于科学研究和体外检测中，推动了成像和检测技术的发展。另一方面，量子点具有窄发射和发光色彩可调的特性，使其成为显示领域的新一代发光材料体系。

同时，量子点在太阳能电池、红外探测成像、光催化、量子光源等领域的应用也获得长足的发展。其中，最具代表性的一项应用是：将量子点优异的光致发光性能和另一项诺奖成果——GaN基蓝光LED的珠联璧合，实现量子点色彩增强液晶显示技术。该技术中，量子点可以将LED背光源的色彩转化为高色纯度的红、绿、蓝三基色，实现了超越传统液晶显示与有机LED显示的广色域。

▲TCL量子点电视（图片来源：www.jiaoanw.com）

▲量子点电视成像原理示意图（图片引自：www.modernart2008.cn）

除了目前已经商业化的量子点液晶显示以外，量子点在未来显示、光源技术和新能源等领域都有巨大的应用潜力，例如：（

1）未来显示：

随着电子设备微型化、智能化和柔性化的发展，智能穿戴式设备正在蓬勃发展。虚拟现实应用要求近眼显示设备具有高色域、高刷新率和超高分辨率等特性，量子点电致发光(QLED)技术有望同时具备上述特性。

随着量子点和其他相关半导体材料的快速发展，满足商用性能标准的QLED器件有望在未来3~5年内实现，并在未来显示中获得应用。

（2）光伏发电：

太阳能作为公认的清洁能源，将是下一代能源革命的主导技术。目前，科研界和产业界正全力提高光伏电池的光电转换效率和使用可靠性。以PbS为代表的量子点材料由于其在红外波段的带隙可调性，在下一代溶液工艺太阳能电池方面具有巨大潜力。将量子点材料与其他半导体光敏材料相结合，是实现高性能光伏技术的重要技术路线。

（3）高性能激光光源应用：

激光技术是现代光学发展的重要技术之一，在空间通信、测量、陀螺仪和军事方面都有重要的应用。量子点的光谱连续可调性和高效率的发光性能，是其成为下一代新型激光器的材料的核心优势。

同时，量子点较低的合成制备成本，也将积极促进激光器的微型化、民用化的发展。基于量子点的光泵浦激光器和电泵浦激光器均是领域的研究前沿。

（4）单光子光源应用：

在量子信息、量子通信技术快速发展的今天，单光子源是量子信息器件必不可少的部件之一。由于单颗粒量子点可以近似为理想的二能级系统，在单光子源领域有独特的优势。目前，发展最为成熟的单光子源器件就是通过外延生长等方式制备的自组装量子点。而随着量子点的溶液制备和加工技术的发展，未来有望以低成本的溶液合成量子点作为单光子源，制备多波段、高效率、低成本的量子点单光子源阵列，为实现量子计算和量子通信提供新技术。

05 量子点研究中的中国力量

与国际上80年代开始研究相比，国内在量子点领域的研究起步稍晚。近年来，通过不懈的努力，中国科学人在量子点合成、量子点发光二极管（QLED）、量子点病毒标记、钙钛矿量子点显示应用等研究方向取得了原创的引领性成果。

清华大学的李亚栋院士、中国科学院化学所的李永舫院士、中国科学院理化所的吴骊珠院士、苏州大学的高明远教授、南开大学的庞代文教授等是最早在国内开展量子点研究的一批学者。彭笑刚教授在2009年回国后加入浙江大学，致力于量子点激发态化学调控研究和产业化开发，并激励了周围一批年轻学者投身量子点领域的研究。

2014年，彭笑刚教授与金一政教授合作，在Nature上报道了接近理论效率的红光QLED电致发光器件，入选了当年的中国科学十大进展。此后，中国学者在QLED持续努力，持续提升器件性能。例如，金一政课题组和华南理工黄飞课题组2022年发表合作工作，将蓝、光器件的性能推进至接近产业化水平。

此外，北京理工大学的钟海政教授和南京理工大学的曾海波教授成为国际上最早开展钙钛矿量子点的一批研究者，他们分别钙钛矿量子点的光致发光和电致发光应用做出了具有代表性的研究工作。在2021年浙江大学举办的第二届量子点化学、物理与应用研讨会，有100多位老师、500多名学生参会。中国在量子点方面的研究涵盖了大部分研究方向，在部分研究上形成了并行和领先于世界水平的态势。

同时，在科技部的支持下，TCL、京东方、华为等企业对量子点显示技术进行了重点布局，以杭州纳晶、致晶科技为代表的科技创新企业不断成长。

整理/记者 张宏伟

内容来源：北京日报、环球科学、“赛先生”微信公众号、今日新材料、学术经纬