2023年诺贝尔化学奖揭晓，量子点点亮未来

出品：科普中国

作者：张昊（大阪大学）

监制：中国科普博览

在宏大宇宙的微小尺度下，隐藏着无尽的可能。每一个微小的粒子背后都承载着许多秘密，等待着人类的探索。近几十年来，有一种特殊的微小粒子以其独特的“美丽”和强大的功能吸引了我们的目光，它们就是量子点。

量子点是一种纳米级半导体发光材料，本质上是一种特殊制造的纳米颗粒，其特殊之处在于可以通过控制它们的尺寸和形状来改变其光学和电子特性。通俗的说法就是：量子点可发出的光的颜色可以通过改变它们的尺寸来调节。

量子点微小而独特，携带着颜色的魅力和光的希望，为人类打开了崭新的世界，让我们能够以全新的视角看待物质的奥秘和生命的色彩。

2023年10月4日，2023年诺贝尔化学奖授予了Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov，以表彰他们在量子点的发现和合成方面做出的贡献。

获奖人

（图片来源：诺贝尔奖官网）

量子点现已广泛应用于电视、LED灯以及医疗（在手术中指导外科医生切除肿瘤组织）等多个领域。未来，量子点有望为柔性电子、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信做出贡献。

量子点到底为什么能从众多科研成果中脱颖而出，获得诺贝尔奖评委的青睐呢？看完这篇文章，相信你能够找到答案。

量子点，为何而生，生而为何

量子点的理论基础可以追溯到量子力学的发展，其制造灵感来自一百多年来人类对纳米尺度物质量子效应的揭示。随着纳米技术的发展和对量子力学的深入理解，科学家们开始探索在纳米尺度上制造半导体，以利用量子效应来实现新的物理性质和应用。这种探索和实验最终导致了量子点的发明和制造。

那么，量子点的具体结构是怎样的呢？

量子点是由数百或数千个原子组成的小团体，它们的尺寸非常小，通常在2—10纳米范围内。量子点具有特定的三维结构，通常是球形或椭球形。一般的量子点由镉硒或铅硫化物等半导体材料组成“核”。有时量子点的核会被另一种材料包裹，形成“壳”，以改善其光学和电子性质。

量子点的尺寸相对足球而言，约等于足球和地球间的尺寸差异

（图片来源：诺贝尔奖官网）

量子点，量子世界的“电子舞台”

量子点是与量子力学紧密结合的尖端技术，对它的理解自然绕不开量子力学。但量子力学是人类掌握的最为复杂抽象的概念之一，接下来的段落，笔者将先用量子力学的一些基本概念来对量子点的特征进行解释，再套用一个生活化的比喻加深大家的理解。

由于量子点的尺寸非常小，电子和空穴的运动受到空间限制，不能自由移动。这种空间限制导致电子和空穴的能量只能取特定值，与宏观尺度上的半导体材料不同，后者的能量取值是一系列连续值。这种离散的能级使得量子点具有独特的光学和电子学性质，例如可调节的发光颜色和高的量子效率。那么，为什么空间限制会导致电子和空穴的能量不能连续变化呢？

在量子力学中，微小空间会使得粒子的能量量子化（量子化的含义之一就是只能取特定值，而非连续值）。也就是说，在量子点的小空间内，电子和空穴的能量只能取特定的离散值，而不能连续变化，这是由量子力学的基本原理（波函数和能量量子化）决定的，也与宏观尺度上的物质形成鲜明对比。比如在一块普通的半导体材料（宏观尺度）中，电子和空穴能在连续的能量范围内取值。

下面笔者就用生活中的事例来进行比喻，让上面这段话更好理解。

想象现在有一个大舞台和一个小舞台。在大舞台上（宏观物质），舞者（电子和空穴）可以自由移动，展示连续流畅的舞蹈动作。但在小舞台（量子点）上，舞者的移动受到空间限制，只能展示特定的、有限的舞蹈动作，这些动作就像量子点中的离散能量级。所以，舞者在小舞台上的表演方式会受到舞台大小的限制，类似于电子和空穴在量子点中的能量受到空间限制。

那么，为什么离散的能量级会让量子点具有独特的光学和电子学性质呢？

如果还是用舞蹈来举例子，我们可以说正是因为舞者的动作非常受限，所以他们对这些动作烂熟于心，比如虽然能跳舞，但却只能表演一个令人惊艳的开场亮相。在量子点中，由于空间限制，电子和空穴只能在离散的能量级之间跳跃，就像舞者在有限的动作中精雕细琢。这种精确的能量控制使得量子点能够发出特定颜色的光。

作为发光材料，量子点有哪些过人之处？

量子点技术与LED、OLED和MiniLED等其他发光技术相比，提供了一种能够在颜色表现、效率、可调光谱和微型化方面具有优势的解决方案。我们来详细说说量子点的优异所在。

良好的色彩表现：量子点能够产生非常精确和饱满的颜色，因为它们的发光波长可以通过改变尺寸和材料来精确调控，从而产生宽色域和高色彩准确度。

高效率：量子点具有高的量子效率，即电到光的转换效率很高，这意味着它们能以较低的能耗产生明亮的光。

可调光谱：通过简单地改变量子点的尺寸，可以改变它们发出的光的颜色，这种可调性为设计师提供了更多的灵活性，可以根据需求定制光谱。

合成不同尺寸量子点，使其拥有不同发光效应的示意图

（图片来源：诺贝尔奖官网）

尺寸小：由于量子点的纳米尺寸，它们可以用于微型和集成电子应用，如微型显示器和生物成像技术等。

长寿命：在适当的封装条件下，量子点的化学和光学稳定性较高，从而提供了较长的使用寿命和较低的维护成本。

量子点可以用于哪些领域？

显示技术：量子点已经用于QLED显示技术（Q代表的就是量子点），它们被掺杂在薄膜中，该薄膜位于LED背光和液晶层之间。量子点可以吸收LED背光，并重新发射不同颜色的光，以提高显示器的色彩表现和效率。

生物成像和生物标记：量子点可以作为荧光探针，它们能够与特定的生物分子结合，发出特定颜色的光，使得科学家能够在细胞和组织级别跟踪生物过程。

太阳能电池：量子点能够吸收宽光谱范围内的光，包括红外和紫外光。这使得量子点增强的太阳能电池能够比传统的太阳能电池捕获更多的太阳能。

光催化：量子点可以作为光催化剂，它们能够吸收光并产生电子和空穴，这些电子和空穴可以参与化学反应，例如水的光解。

光电探测和传感器：量子点的光电性质使它们成为制作高灵敏度和高选择性的光电探测器和传感器的理想材料，它们能够检测特定波长的光或特定类型的化学和生物分子。

医学诊断和治疗：量子点能作为荧光探针或药物载体，为癌症诊断和治疗提供新的可能。例如，量子点可以帮助医生在手术中精确定位肿瘤，或将药物精确输送到体内的特定区域。

红外光源：最新的研究发现，通过调整量子点的大小和组成，可以使它们发射红外光。这种红外光源可以用于通信、成像和传感应用，提供了一种低成本和高效的红外光源解决方案。

量子点示意图

（图片来源：诺贝尔奖官网）

结语

在探索量子点的奇异世界中，我们不仅仅是在寻找一种新的物质或技术，更是在探寻生命和宇宙的更多可能。每一种颜色、每一处光芒，都是量子点为我们展示的神秘画卷。

通过量子点，我们得以一窥微观世界的奇异，感受到科学与生活的紧密联系。随着量子点技术的进一步发展，未来的生活将更加多彩和惊喜。每个微小的量子点，都有可能点亮我们生活的每一个角落，让我们共同期待，那未知而美好的未来。