warning！量子點來襲

材料牛注：2015年的九月份，荷蘭的著名電子公司飛利浦推出了全新的電腦顯示器，這個顯示器可以發出極其絢麗的色彩，而其中的奧秘則來自于量子點這個神奇的物質。量子點其實在顯示器中被用做一種納米半導體器件，可以發出多樣的顏色。

飛利浦推出的這款顯示器是第一款采用量子點技術的顯示器，但2013年索尼公司已經通過量子點技術來提高其電視機背光的效果，隨后的幾個月量宏公司宣布將在2016年的手機產品中使用量子點技術的攝像頭傳感器。量子點使得這些屏幕具有較高的分辨率，并且覆蓋色譜面更廣的同時成本也比現有設備變的更低。

俄羅斯的物理學家Alexey Ekimov在1981年第一次觀察到了量子點的存在(1)。在整個二十世紀八十年代，尤其是到了九十年代隨著科學家們對于材料的研究，科學界對于量子點的了解進一步加深。因為量子點表現了部分原子的特性，所以通過原子物理的研究成果可以更好的對量子點進行探索。到了本世紀之交，量子點的技術的研究實現了多個學科的結合，從物理領域走向了其他更多的方向。

目前，量子點技術似乎已經成為顯示技術主流，而它首次被發現是在35年之前，物理學家和工程師對于這種物質充滿了好奇，并在實驗室中進行探究，不斷的推進著它的發展。在這期間內，量子點對于普通民眾來說還是很陌生的，對于科學家而言這同樣是一個革命性的創新性研究。

其實量子點就是一種微小的晶粒材料，或者說是用做一種納米半導體器件。它的直徑范圍為一個納米到十幾個納米之間。當通過電流或者光照后，一個量子點會發出明亮的單色光。

除此以外，量子點在半導體光譜中占據了一個神奇的位置。由于包括了較少的原子（1000~100000個）。這種數量的特性決定了這些量子點在實驗中可以進行有效利用，但是由于體積過小，它們表現出的量子特性與原子相關。量子點是一個典型的“人造原子”：較小的半導體粒子可以量化它的電荷和能級。量子點的電子運動在三維方被限制，因此其處于“零維”上。改變量子點的大小可以控制它吸收和釋放能量。

量子點的這種特性可以在光電產業中發揮作用。一些研究者認為量子點可以提高發光二極管和太陽能電池的效率，也可以用來制造降解涂料。還有一些人認為量子點可以作為量子計算機的一個“比特”單位來儲存數據。此外，量子點在光子發射器中也大有作為，可以建立量子光信號的通訊網絡（2）。量子點的優勢也能延伸到其他領域：生物學家可利用量子點標記一個細胞或者更大的樣本，可以發現腫瘤細胞的受體并進一步進行標記（3）

量子阱的故事

目前量子點的研究集中在量子力學中的量子阱系統（就像取水的水井設備），可以通過人工設計來控制電子的移動。這種系統在光電電子器件中的地位十分重要，尤其是激光器中的應用。此外，這種系統具有不同禁帶寬度的半導體材料的結構，在這種結構中中心層具有最小的帶隙（帶隙：電子從一個能級躍遷到另一個能級跳躍所需的能量）。正因如此，在量子阱中外層的較大的間隙會阻礙電子躍遷，并且限制在中間層的電子，這種結構進一步限制了中間層的能量。通過控制中間層的大小，科學家們在二十世紀七十年代發現他們可以調節電子發射出的光子，進而改變相應波長的對應顏色。這個發現導致了量子阱激光器的發明。量子點的量子限制除了電子被限制在每個方向上外，其他的和量子阱系統類似。

“量子點就像量子力學中最簡單的力學系統，無限深勢阱，因為電子在三個空間的維度上都受到限制，這也意味著量子點只能在特定的環境下表現出特定的性質，比如不同的顏色。” 來自美國華盛頓海軍實驗室的光電量子方向的物理專家Daniel Gammon向人們作出解釋道。

當一個量子點受到電刺激或光刺激后，其中的電子會發生躍遷到更高的能級。而當電子返回到基態能級（能量最低的狀態），量子點會釋放出單色光。光的顏色取決于量子點的大小、組成和晶體形狀。其中，比較的晶體會在光譜中發出藍色的光，而較大的晶體則會發出紅的的光。因此，量子點可以比較容易的進行調整以產生特定的顏色。

癌癥研究新思路

量子點的研究同樣給生物研究提供了新思路。麻省理工學院的科學家Moungi Bawendi，他同樣對于量子點的制造和多種用途進行了研究，他表示道，量子點作為研究細胞和分子結構方法，比其它類型染料穩定性更好。

十多年來，Bawendi教授和哈佛大學一名科研經驗豐富的生化學家Rakesh Jain一起進行合作研究，Rakesh Jain在研究腫瘤微環境、血液循環系統和癌細胞的生長有很高的成就。眾所周知，腫瘤可以以多種形式在人體中生存，腫瘤通過血管吸收養分，并通過釋放化學物質來將癌細胞擴散到身體各處。Jain認為量子點會有助于進行藥物設計并且可以通過血管直接到達腫瘤細胞(4)。目前的研究方法是向動物腫瘤細胞中注射大小不同的量子點。大小不同的量子點可以發出不同的顏色，可以通過觀察進入腫瘤細胞顏色的不同，分析血管的尺寸大小。

“一旦你知道了路的寬度，你也自然可以知道汽車的大小。” Jain表示道。換言之，他在尋找人體納米治療的合適尺寸。同時，Moungi Bawendibe教授也表示道量子點可以高效的定位癌細胞，但是目前的化學試劑均有一定的毒性。

一些研究癌癥的科學家們正在考慮通過使用發光點來辨別病理學中的癌癥細胞，這些細胞在其表面有特定的受體，這些受體使得癌細胞容易成為受攻擊的靶細胞。還有人認為量子點甚至可以在藥物傳遞中扮演重要角色，把量子點進行處理并直接送到癌細胞是一項新的方法。

然而，Bawendi教授對于量子點提出了嚴重的擔憂，由于制備過程不完善，因此可能有殘存的重金屬毒素進入人體，這是目前研究的一項重要挑戰。“雖然并沒有什么是絕對無毒的，但是今天讓量子點進入人們的生活是不合適的。”Bawendi教授建議道。目前，盡管量子點可以從多種不同的半導體中獲得，但是它仍然需要許多重金屬元素，例如鉻元素，這種重金屬元素對于人體有著很強的毒害作用。正因為如此，科學家們正在研發一種無毒的保護殼來防止量子點泄露，并進行一些動物實驗來證明保護殼的持久性。

Bawendi教授把他的事業全部投入到量子點的研究中，創造了它們并且研發它們的新用途。最后，他感慨道：“在20世紀80年代和90年代，量子點是純粹由好奇心驅使，并在量子力學的推動下不斷發展，到了今天，量子點已經在電視里了”。
參考文獻
（1）Ekimov AI, Onushchenko AA (1981) Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystals. JETP Lett 34(6):345–349. Web of Science
（2） Heinze D, Breddermann D, Zrenner A, Schumacher S (2015) A quantum dot single-photon source with on-the-fly all-optical polarization control and timed emission. Nat Commun 6:8473. CrossRefMedline
（3） Fang M, Peng CW, Pang D-W, Li Y (2012) Quantum dots for cancer research: Current status, remaining issues, and future perspectives. Cancer Biol Med 9(3):151–163. Medline
（4）Stroh M, et al. (2005) Quantum dots spectrally distinguish multiple species within the tumor milieu in vivo. Nat Med 11(6):678–682. CrossRefMedlineWeb of Science

原文參考地址：http://www.pnas.org/content/113/11/2796.full

感謝材料人編輯部陳曉提供素材