大牛Science最新綜述：打破屏障！量子點從實驗室走向市場

【背景介紹】

半導體材料是變革人類生活方式的重要推手，其以獨特的光/電學特性在計算機、移動電話、激光以及衛星等領域都引發了巨大的技術革命。而當這些半導體材料的尺寸大幅減小到納米級水平時，在產生的量子限域半導體納米構造中，電子會展現出與塊體截然不同的性質，這為設計具有可調化學、物理、電學和光學性能的材料提供了全新的機會。零維的半導體量子點具有從可見到紅外波長范圍內的強光吸收和高亮窄帶發射，已經被證明可以用于構建光學增益和激光器件。不僅如此，量子點的這些性質在成像、顯示、太陽能富集以及通訊等方面也展現出了巨大的應用前景。

【成果簡介】

近期，多倫多大學的Edward H. Sargent（通訊作者）聯合量子點領域多位著名專家（Dmitri V. Talapin、Victor I. Klimov、Yasuhiko Arakawa）等人撰寫了最新綜述文章，回顧了對量子點材料（特別是膠體量子點）合成和理解的研究歷程，討論了其在顯示、發光、激光器、傳感、電子、太陽能轉換、光催化、量子信息等技術的應用前景。最后，作者還指出了量子點商業化過程中仍然存在的挑戰，量子點的技術進步要求多方面的研究取得突破，包括量子點合成和組裝、與現有平臺進行有效集成以及發展量子點特異性的器件設計。研究成果以題為“Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges”發布在國際著名期刊Science上。

【圖文解讀】

圖一、量子限域和量子點材料制備

（A）當電子波函數振幅小于波爾激子半徑時會產生量子限域效應，能夠導致尺寸相關的光學和電學性質出現；

（B到E）零維半導體納米結構的制備技術，包括在玻璃熔融態上進行高溫沉積、自上而下的刻蝕、基于分子束外延層層沉積的納米島的成核生長、基于溶液的膠體合成。

圖二、用于顯示和發光的量子點材料

（A）色品圖用于量化顯示設備的顏色質量；

（B到D）不同的量子點基顯示技術，這其中量子點通過光學或者電學進行激發；

（E）在相似波長將量子點發射的高色純度與OLEDs發射進行比較；

（F）量子點發光二極管的效率降幅圖；

（G）通過分級膠體量子點組分，可抑制俄歇復合，從而實現高達~0.15 Mcd m^?2的亮度水平（外量子效率可達~13.5%且幾乎無下降現象）。

圖三、量子點產生激光原理及其近期研究進展

（A）基于雙激子可使量子點產生光學增益；

（B）建模證明cw激光閾值與雙激子具有強關聯性；

（C）基于雙軸應變增加空穴態之間的分裂可導致光學增益閾值的下降，從而實現cw激光；

（D）連續分級膠體量子點展現出對俄歇衰減的強大抑制，并增加雙激子發射效率并延長光學增益壽命；

（E）電流聚集發光二極管結構；

（F）在電流聚集發光二極管結構中集成連續分級膠體量子點實現光放大作用。

圖四、用于傳感的量子點材料

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（A）早期依賴于場發射的量子點光電探測器；

（B）膠體量子點經過編程表面改性和組裝可實現光電導性膠體量子點固體；

（C）基于碲汞礦膠體量子點的光電探測；

（D）膠體量子點集成到硅基成像技術并形成新的探測構造；

（E）膠體量子點與高遷移材料的結合可提供巨大的光電導性增益；

（F）膠體量子點也可通過光電壓晶體管與硅進行單片集成。

圖五、用于太陽能富集的量子點半導體

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（A）太陽能輻照光譜和能量蓄積效應；

（B）膠體量子點的吸收可以在整個太陽能光譜中進行調控；

（C）量子點固體的有效光伏運行要求缺陷最小化、開路電壓以及足夠的量子點偶聯；

（D到E）鈣鈦礦膠體量子點已經成為實現高質量鈣鈦礦固體的策略之一；

（F）在熒光太陽能集光器（LSC）中，膠體量子點吸收入射太陽光并重發射低能光子；

（G）LSC的性能可通過提高LSC質量因子來增加，該質量因子定義為入射光子和重發射光子的比值；

（H）膠體量子點也是儲存太陽能的光/電催化劑的候選材料。

圖六、用于量子光產生（Quantum light generation）的量子點材料

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（A）上圖：基于量子點偶聯共振腔的單光子源，下圖：二階強度相關函數；

（B）如果兩個光子同時達到分束器，他們就會以光子對的形式沿著相同的光學途徑進行運動；

（C）偏振糾纏光子對的產生；

（D）偏振光學相干層析系統可分析糾纏程度；

（E）CsPbX₃量子點的超熒光；

（F）CsPbX₃量子點的單光子發射。

【小結】

通過構建量子點的功能可以進一步實現量子點的應用潛力。例如，對于量子點帶隙的控制和構建可以通過改變量子點尺寸來實現，使其有望在發光顯示、太陽能富集、激光通訊、傳感、醫學診斷等領域發揮巨大的作用。而散的類原子電子能態結構可促使量子點在室溫下展現出窄帶明亮發光性能，可推動新型電視和現實設備的發展。再比如通過對非輻射俄歇復合等性能限制因素的不斷研究，量子點發光二極管目前已經展現出了極佳的亮度。除此之外，量子點在激光器、太陽能富集等領域均具有巨大的應用前景。文章還闡述了量子點技術進一步發展所面臨的挑戰：材料制備方面還需要解決量子點制備質量、生產成本、長期穩定性等問題；而在應用方面則需要解決量子點器件的規模化制造以及標準評價等問題。只有克服這些挑戰，才能有望推動量子點走向更廣闊的市場。

文獻鏈接：Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges, Science, 2021, DOI: 10.1126/science.aaz8541.