量子点(quantum dot，QD)的应用与展望

邱 军，鲁韶芬，张晓凯，刘佳琦

(1.山东师范大学 生命科学学院，山东 济南 250014；2.山东师范大学 化学化工与材料科学学院，山东 济南 250014；3.山东师范大学 物理与电子科学学院，山东 济南 250014)

1 量子世界的新宠儿—量子点

量子点(quantum dot，QD)[1-3]由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒(表1)。量子点由核、壳两部分组成，核一般使用CdX(X=S,Se,Te)作为材料，壳部分是由不同禁带宽度的其他材料或者真空介质组成。研究表明量子点可以在标记肽链和脱氧核糖核苷酸长链聚合物等生物化学方面具有突出表现，这引起了生物学家、化学家、物理学家的广泛关注。由于其研究方向涉及物理、化学、生物医药等多门交叉学科，因此量子点具有相当巨大的发展应用前景。

表1 量子点

2 量子尺寸效应

粒子的尺寸不是一成不变的，粒子的尺寸随外界的变化可以发生相应的改变。正是由于这一特性，当下降到某一数值时，会出现费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的特殊现象[4-5]。

3 量子点的应用及其发展前景

量子点作为一种新的研究领域，在短时间内就吸引了众多领域的科学家的眼球，科学家们积极参与到量子点的研究当中。量子点具有特殊构造，在物理化学特性方面既不同于微观的分子、原子，也不同于宏观物体，而是介于两者之间领域，所以半导体纳米晶具有许多材料没有的性质。在量子力学独特的规则下，量子点具有独一无二的尺寸效应。正是因为量子点与生俱来的独特性质，科学家在对其研究方面更重视其用途，试图扩张量子点的应用范围和领域，这使得量子点具有更广阔的发展前景。

3.1 量子点应用于生命科学领域

现代很多的荧光材料都是由半导体纳米晶结构组成，纳米晶具有传统染料分子的一切优点，同时也具有传统染料分子所不能与之相比的特殊功能(表2)，因此，量子点对生物、医学方面的研究大有帮助[6]。

表 2 量子点与传统有机染料分子的区别

3.1.1 量子点作为荧光探针

传统荧光探针与量子点作为荧光探针[7]相比，真是天壤之别。正是由于量子点具有激光光谱较宽、分布连续，以及发射光谱分布对称、宽度窄、颜色丰富等优点。所以QD能解决很多传统荧光探针不能解决的问题。但是不同材料的量子点会出现的偶联问题仍是目前限制量子点发展的主要问题。科学家预计，如果解决了不同材料的量子点会出现的偶联问题，研究员就可以将量子点作为荧光探针与特异性抗体结合，荧光探针就随着特异性抗体与细胞内的不同细胞器特异性结合后，分辨不同的细胞器。由于一个种类不同尺寸的半导体纳米晶能够按照尺寸的变化相应发生变化，产生一系列波长不同和颜色不同的标记系统，而且荧光强度强，高稳定性和持久性，使得半导体纳米晶能够承受多次激发而保持原状态，便于研究员的长时间的实验观测，光学特性也不会发生明显的改变。例如：生物过程是一个耗时久的反应过程，若将过程中所需的生物分子用量子点作为荧光探针进行标记，就可以观测到给受体之间相互作用的全过程。假设被标定的不同分子之间若相互靠近，这一地域的光谱也会随之发生变化，比如光谱发生叠加,更有甚者，在条件充足的情况下，能量转移也不是不可能发生。

3.2 量子点在医学药物方面的应用

由于不同尺寸的量子点可以产生不同的标记颜色，科学家将不同尺寸的量子点与不同靶细胞结合，便可检测出药物作用的靶细胞[8-9]，从而筛选药物；众所周知，厘米级厚度的组织，红外线可以轻松穿透而可见光则不能。因此，可以利用在红外区发光的量子点标记组织，在红外光激发下，通医学成像的检测原理进行医学诊断。

3.3 量子点在指纹显现中的应用

2000年，美国的MENZEL等[10-11]首次报道了CdS量子点用于易拉罐表面的指纹显现，开创了量子点作为新材料在指纹显现方面应用的先例。随后，MENZEL等[12]利用PAMAM(聚酰胺‐胺型树形分子)作为模板，通过树形分子的空间限阈效应来控制包裹在树形分子内的CdS量子点的生长，合成的CdS/PAMAM聚合物用甲醇作为溶剂稀释后，成功地用于铝箔和聚乙烯样品上的潜指纹显现。他们认为，CdS/PAMAM表面的氨基或羧基等官能团能与指纹残留物作用使CdS/PAMAM 沉积到指纹纹线上，在紫外光照射下，通过CdS/PAMAM 聚合物的荧光显现指纹。熊海等[13]在有机相中合成了InP量子点，通过相转移、紫外光照复合等过程得到了巯基乙酸修饰的InP/ZnS量子点，其荧光发射波长从450 nm 红移至575 nm，在紫外光照下可以清晰显现出指纹图像。该方法可用于不同背景颜色的多种客体(如透明胶带、黑色塑料袋、锡纸等)表面指纹的鉴定[14]。

3.4 量子点在改进太阳能电池方面的应用

太阳能电池顾名思义是充分利用太阳光的能量，通过光电效应，将太阳能转化为电能的一种装置。普通太阳能电池不能充分利用太阳光能，转化过程中热损失较大，造成光电效率转化率低的缺陷。科学家[15-16]利用硅半导体材料作为太阳能和电能转化的介质，研发出普通半导体材料太阳能电池。硅半导体材料经太阳辐射之后，内部的电子会自由移动形成电流。正是这种半导体材料具有的特殊性质，半导体材料普通太阳能电池才可以正常运转，但是实际生产中的结果却不令人满意。科学家了解到，只有当这些自由电子定向移动到电极时才会产生电流，事实上移动到电极的自由电子很少，造成对太阳能的转化率较低，所以普通半导体材料太阳能电池不能将太阳能完全转化成电能。科学家设想，如果将量子力学理论引进普通半导体材料太阳能电池之中，是否就可以弥补了普通半导体材料太阳能电池实际发电效率低的缺陷。科学家进行了大量的理论计算，得出的结果令在场人都颇为震惊。这种电池材料不仅价格更加低廉，而且可以做到充分利用太阳光能源的同时转化过程中的消耗微乎其微，使太阳能电池对光电的转化率提高一倍。尽管目前这种超级电池尚在研发当中，是否真如科学家预想的那样卓越、何时才能公布于众，至今还是个未知数。但是不可否认的是量子点太阳能电池正成为一种研发的新趋势，是目前最受关注的科研话题。人们相信这种超级电池可以完全解决普通半导体材料电池能耗高、光电转换效率低等缺点，量子点太阳能电池将会在未来的太阳能转换利用中展现出卓越技能和光明前景。

量子点敏化太阳能电池-是目前已经研发出的量子点太阳能电池之一。量子点敏化电池是介于普通半导体材料太阳能电池和超级电池(量子点太阳能电池)之间的一种电池。所以量子点敏化电池不能称为真正的量子点太阳能电池，它只是一种过渡产品。真正意义上的量子点太阳能电池还在研发阶段。量子点太阳能电池需要进行光电转换方式的研究，对介质的选择也尤为必要，介质是研究超级电池的重点和热点，超级电池的介质材料既要有超高的转化率又要成本低廉，量子点太阳能的研发工作还有很长的一段路要走。作为过渡产品的量子点敏化太阳能电池，是以染料敏化太阳能电池(DSSC)为基础，运用相似的工作原理设计研发出来的新型太阳能电池。量子点敏化太阳能电池光阳极采用量子点附着和光生电子注入的载体构成，载体主要由二元半导体氧化物充当。

4 结语

量子点作为一种新的研究领域，在短时间内就吸引了众多领域的科学家的眼球。科学家们积极参与到量子点的研究当中，更说明了量子点的研究关乎着科技的进步和科学的发展。量子点技术目前还处于初级理论阶段，科学家们发现量子点在生命科学、医学等方面的有着重要的地位。科学家设想如果能够将量子点完全实际应用于我们的生活，我们的生活将会更加便捷、更加美好。这是科学家以及所有人的一种完美憧憬。科学家们正完全致力于量子点的研究，试图将量子点的应用从理论走向生活，付诸实际。量子点技术是一种高新技术，科学家已经发现了量子点作为荧光探针、量子点在医学药物方面的应用、量子点在改进太阳能电池方面的应用等多方面应用中的突出表现，量子点正在一点一点渗入我们的生活。量子点的研究还处于起步阶段，随着社会的进步，科学技术的不断发展，量子点的研究范围正在逐步扩大。量子点作为一种全新的理念正在被大家所熟知，半导体微晶体还有更多的奥秘等着我们去开拓，去发现。量子点的研究正迈着强有力的步伐带着深远的影响前进，量子点的应用正展现出光明前景。

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