量子點
量子點是半導體材料的微小顆粒或奈米晶體，其直徑範圍為 2-10 奈米 (10-50 個原子)。1它們顯示出介乎於大體半導體和離散分子之間的獨特電子特性，部分原因是這些微粒具有異常高的表面體積比。2-4 其中最明顯的結果就是螢光，納米晶體可以根據微粒的大小產生不同的顏色。
由於它們的尺寸很小，這些微粒中的電子被限制在一個很小的空間（量子盒）中，當半導體奈米晶體的半徑小於激子玻爾半徑（激子玻爾半徑是指導帶中的電子和它在價帶中留下的空穴之間的平均距離）時，就會根據保利's排除原理 (圖 1)5,6。這些量子顆粒的離散、量子化能級與原子的關係比大體材料更為密切，因此被暱稱為 「人造原子」。一般而言，隨著晶體尺寸的減少，最高價帶與最低導帶之間的能量差異也會增加。因此，需要更多的能量來激發點，同時，當晶體回到基態時，也會釋放出更多的能量，導致發射光的顏色從紅色轉為藍色。由於這種現象， 這些奈米材料只要改變光點的大小，就能從相同的材料發出任何顏色的光。此外，由於可以高度控制所產生的奈米晶體大小， 這些半導體結構可以在製造過程中調整，以發出任何顏色的光。7
量子點可以根據其組成和結構分為不同的類型。
圖 1.量子點中的能級分裂是由於量子限制效應，半導體的帶隙會隨著奈米晶體尺寸的減少而增加。
核心型量子點
核心型量子點這些奈米點可以是內部成分均勻的單組分材料，例如鎘、鉛或鋅等金屬的瑀（硒化物、硫化物或碲化物），例如 CdTe（產品編號：No.747017）。只需改變晶粒大小，即可微調核心型奈米晶體的光電發光特性。
核殼量子點
量子點的發光特性來自於電子-電洞對透過輻射途徑的重組（激子衰變）。然而，激子衰變也可能透過非輻射方式發生，進而降低螢光量子產量。提高半導體奈米晶體效率和亮度的方法之一，是在其周圍長出另一種較高帶隙半導體材料的殼。這些由一種材料的小區域嵌入另一種帶隙較寬的材料的微粒稱為核殼量子點 (CSQD) 或核殼半導體納米晶體 (CSSNC)。舉例來說，Sigma-Aldrich Materials Science 所提供的核心為 CdSe、外殼為 ZnS 的量子點 (Product Nos. 748056、790192)，其量子產量超過 50%。量子點外殼塗層可以鈍化非輻射性重組位點，從而提高量子產率，同時也使量子點在各種應用的加工條件下更加堅固耐用。這種方法作為調整量子點光物理性能的一種方式，已被廣泛探討。8-10
合金量子點
透過改變晶粒尺寸來調整光學和電子特性的能力已成為量子點的一大特色。然而，透過改變晶粒尺寸來調節特性可能會在許多有尺寸限制的應用中造成問題。多組分點提供了另一種方法，可在不改變晶粒尺寸的情況下調節特性。具有均質和梯度內部結構的合金半導體奈米點，只需改變成分和內部結構，而無需改變晶粒尺寸，即可調整光學和電子特性。例如，直徑為 6nm 的 CdSxSe1-x/ZnS 合金量子點，僅需改變成分即可發出不同波長的光（產品編號：No.753742, 753793)(圖 2）。將兩種具有不同帶隙能量的半導體合金化而形成的合金半導體量子點，不僅展現出不同於其體質對應物的特性，也展現出不同於其母體半導體的有趣特性。因此，除了量子限制效應所產生的特性之外，合金化的奈米晶體還擁有新穎且額外的組成可調式特性。
圖 2.直徑 6 nm 的 CdSxSe1-x/ZnS 合金量子點的光致發光。藉由調整成分，此材料可發出不同顏色的光。
量子點應用
這些非常小的、半導體量子點的獨特尺寸和組成可調式電子特性，使它們在各種應用和新技術中非常具有吸引力。12
量子點因其明亮、純淨的顏色，以及發射彩虹顏色的能力，再加上其高效率、較長的壽命和高消光係數，對光學應用尤其重要。7,13,14
由於量子點是零維的，因此比高維結構有更銳利的狀態密度。7,13,14
由於量子點是零維的，因此比較高維的結構有更銳利的狀態密度。利用這些獨特電子特性的應用範例包括電晶體、 太陽能電池、超快全光開關和邏輯閘門，以及量子運算等等。13-15
光點的小尺寸使其能夠進入人體的任何部位，因此適用於不同的生物醫學應用，如醫學成像、生物傳感器等。目前，以螢光為基礎的生物感測器依賴於光譜寬度較寬的有機染料，這限制了它們的有效性，只能用少量的顏色和較短的生命週期來標記藥劑。另一方面，量子點可以發射整個光譜，亮度更高，而且隨著時間的推移幾乎沒有降解，因此證明它們優於生物醫學應用中使用的傳統有機染料。
參考資料：
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