科技資訊寫作大賽｜Natl.Sci.Rev.專題|量子物理與量子點器件（特邀編輯牛智川）

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我），受到讀者們的廣泛關注。本文為大賽第二篇參賽作品，由SCI期刊National Science Review（影響因子8.0）投稿。

在過去的三十年里，量子點已經從一個有趣的理論概念發展為現實設備器件技術中的一種重要結構。《National Science Review》2017年第2期出版了關于量子物理與量子點器件的前沿進展專題，敬請收閱，點擊下載專題全文。

1. 特邀編輯：量子點專題序言

量子點具有獨特的材料結構，其載流子被限制在三維的空間內，通過控制量子點的尺寸可以利用量子效應改變其固有性質。量子點引入了一種基礎量子物理量子工程的新形式，并成就了其在量子器件中的應用。在過去的30年中，得益于在原子和分子水平上精確控制材料的尺寸、組成和厚度等方面制備技術的發展，量子點已經開始推動了從一種有趣的理論設想到器件科技中具有實際重要性的結構的進步。當連續的能帶結構變為離散之后，由于電子和空穴的量子限域效應，因此人們對量子點的功能或更好的性能期望很高。

量子點這一研究領域已經成為幾十年間基礎研究的熱門議題，近年來，其已經應用到了不同的領域之中：量子網絡、量子光源、發光二極管、太陽能電池、顯示器以及光學生物標記等等。很多工業領域已經涉及到了量子點器件技術的發展，同時將在這一領域開辟市場。此外，量子物理與電化學和催化領域的聯系為電化學器件未來的研究和應用提供了新的方向，電化學器件同樣可以作為光學和電學器件，并且和量子點器件一樣將會取得同樣的成功。

來自中國科學院半導體研究所的牛智川研究員作為本期的特邀編輯，對量子物理和量子點及其器件作了總結，并對本專題的主要內容進行了簡要介紹。

牛智川

文獻鏈接：Preface to the special topic on quantum dots（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI：10.1093/nsr/nwx020 ）

2. 研究亮點：向著量子網絡邁進

量子網絡被譽為是下一代的量子技術。在過去的十年間，像量子點這種單一的量子系統在研究的深度和技術層面的發展已經成熟。因此，考慮將不同的系統結合起來構筑為量子網絡（尤其是混合起來）正當其時。此外，量子網絡在完成一般的量子任務（需要不同種類量子單元進行配合）時是十分必要的。在更大的尺度上，本地的量子網絡可以進一步連接構筑為全球的量子網絡，可稱作量子互聯網。隨著這一技術的即將到來以及分布式量子計算的實現，在多個位置遠距離促成大規模的量子信息處理是有可能的。

來自中國科技大學的李傳鋒教授（通訊作者）等人對量子網絡的相關情況進行了介紹，并展望了其發展前景。

李傳鋒

文獻鏈接：Towards a quantum network（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI：10.1093/nsr/nww051 ）

3. 綜述：膠體量子點的表面及高性能發光二極管的器件結構工程

近年來，由于膠體量子點具有諸如尺寸依賴的發光波長、尖銳的發射峰以及較高的發光量子產率的特性，因此在發光器件中的應用已經吸引了研究者極大的關注。研究者在探索量子點在發光二極管（LEDs）和光轉換器等發光領域的應用付出了極大努力。量子點基發光二極管（QD-LEDs）的性能伴隨著量子點制備、表面配位工程和器件結構優化的進步已經在近十年來逐漸快速發展起來。最近，紅色量子點發光二極管的外量子效率已經超過了20.5%，同時其穩定性高、發光峰較窄。

來自上海科技大學的寧志軍助理教授（通訊作者）等人總結了近期QD-LEDs的研究進展，重點關注了量子點表面工程和器件結構的優化。

寧志軍

文獻鏈接：Colloidal quantum-dots surface and device structure?engineering for high-performance light-emitting diodes（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI：10.1093/nsr/nww097）

4. 綜述：InN/InGaN量子點電化學器件：解決能源及健康問題的新方法

外延InN/InGaN量子點（QDs）表現出了突出的電化學性能，并已經應用在了分解水太陽能產氫的光電極、生物傳感器的換能器、陰離子選擇性電極以及超級電容器的電極中。其性能已經成為了其他已報道具有最好性能的材料和納米器件的基準。基于表面和量子特性間相互作用的模型，并結合電化學和催化反應可以更深入地理解催化性能的增強及陰離子選擇性與量子結構間的聯系。在沒有任何緩沖層存在的條件下直接在Si襯底上生長量子點也是同樣重要的，這可以結合新型器件的設計和Si科技的發展。這就使得InN/InGaN量子點成為了可能，并開辟了III-氮半導體新的應用領域。

來自華南師范大學的Richard N?tzel教授（通訊作者）對InN/InGaN量子點的發展及應用進行了詳細敘述。

Richard N?tzel

文獻鏈接：InN/InGaN quantum dot electrochemical devices: new?solutions for energy and health（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI：10.1093/nsr/nww101）

5. 綜述：將自組織半導體量子點修飾晶面的GaAs納米線用于單光子發射

本文利用Ga液滴誘導的無金氣-液-固方法生長得到了核-殼六方的GaAs/AlGaAs納米線，并以GaAs納米線作為分支，在納米線的晶面上裁剪出了納米結構的形貌。同時還得到了兩種新型的納米線內量子點（QD-in-NW）系統：一種是在枝狀GaAs納米線的角落處形成單個的InAs量子點；另一種是在納米線的晶面上形成單個的GaAs量子點。當兩光子發射的可能性消失時，可以觀察到尖銳的激子發射峰譜線。實驗還進一步在納米線晶面上的單個AlGaAs量子環（QR）處得到了單個的GaAs量子點。此外，對基于納米線的單個量子點進行了原位探測，并整合單模光纖得到了全光纖輸出單光子源，其在量子集成網絡中具有潛在應用價值。

來自中科院半導體研究所的牛智川研究員（通訊作者）等人討論了自組織量子點（QDs）在GaAs納米線上的外延生長及其單光子發射的表征。

牛智川

文獻鏈接：Self-assembled semiconductor quantum dots decorating?the facets of GaAs nanowire for single-photon emission（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI ：10.1093/nsr/nwx042）

6. 專訪Dieter Bimberg教授和王康教授：從實驗室到市場的物質量子工程

量子點引入了一種基于單純的尺寸和緯度材料特性的量子工程的新形式。然而，傳統的認識中材料的固有屬性有強度、電導率以及光的吸收或發射譜，這些都與其組成和原子尺度的結構有關，當材料的尺寸變得很小時，這些特性就會被量子力學效應所改變。例如，量子波函數的限域效應會決定電子等電荷載流子的能量。

NSR與量子工程領域的兩位領軍人物在量子點的發展和展望方面進行了對話。

Dieter Bimberg教授來自德國柏林工業大學納米光子學中心，其致力于量子點在諸如激光和光學放大器等光子器件中的應用，同時發展了非易失性動態隨機存取存儲器（DRAMs），其在斷電時其仍能保存儲存的信息。

王康教授來自加州大學洛杉磯分校電氣工程系，其從事納米尺度量子器件的研究，并主要關注電子和磁學特性，尤其是在非易失性RAMs的發展方面，通過控制電子自旋可以作為信息處理中新的緯度（即自旋電子學）。

Dieter Bimberg

王康

文獻鏈接：Quantum engineering of matter from the laboratory to the market: an interview with Dieter Bimberg and Kang Wang（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI ：10.1093/nsr/nww067）

牛智川研究員簡介
?
中科院半導體所物理學博士、中科院“百人計劃”入選者、“國家杰出青年科學基金”獲得者、“新世紀百千萬人才工程國家級人選（首批）”、“國務院政府特殊津貼”獲得者、國家973重大科學研究計劃首席科學家、中國科學院大學-材料學院首席教授、“2011量子信息與量子科技前沿協同創新中心”-量子材料與量子器件研究部主任、中科院“量子信息與量子科技卓越創新中心”核心骨干、中科院半導體所“銻化物窄帶隙半導體研究中心”主任、國科大材料與光電技術學院首席教授-半導體量子光電子學教研室主任。主要從事半導體低維（量子阱、量子線。量子點、超晶格等）異質結構外延生長、受限光電子體系量子物理效應、高性能光電器件和量子信息器件制備等研究。曾獲國家自然科學二等獎、北京市科學技術二等獎等。

National Science Review為中國第一份英文版綜述性學術期刊，定位于一份具有戰略性、導向性的綜述期刊，致力于全面展示中國各科學領域的代表性研究成果，追蹤報道重大科技事件，深度解讀熱點研究和重要科技政策等。于2014年3月正式出版，2016年NSR創刊以來的首個SCI影響因子達到8.0，位于63種多學科綜合類期刊的第5名。本刊發表的所有論文全文可以在線免費閱讀和下載。

本文由本文由National Science Review編輯部投稿，材料人電子電工學術組大城小愛整理編輯。材料人網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

投稿以及內容合作可加編輯微信：xiaofire-18，吳玫，我們會拉各位老師加入專家群。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com。