大牛Science最新综述：打破屏障！量子点从实验室走向市场

【背景介绍】

半导体材料是变革人类生活方式的重要推手，其以独特的光/电学特性在计算机、移动电话、激光以及卫星等领域都引发了巨大的技术革命。而当这些半导体材料的尺寸大幅减小到纳米级水平时，在产生的量子限域半导体纳米构造中，电子会展现出与块体截然不同的性质，这为设计具有可调化学、物理、电学和光学性能的材料提供了全新的机会。零维的半导体量子点具有从可见到红外波长范围内的强光吸收和高亮窄带发射，已经被证明可以用于构建光学增益和激光器件。不仅如此，量子点的这些性质在成像、显示、太阳能富集以及通讯等方面也展现出了巨大的应用前景。

【成果简介】

近期，多伦多大学的Edward H. Sargent（通讯作者）联合量子点领域多位著名专家（Dmitri V. Talapin、Victor I. Klimov、Yasuhiko Arakawa）等人撰写了最新综述文章，回顾了对量子点材料（特别是胶体量子点）合成和理解的研究历程，讨论了其在显示、发光、激光器、传感、电子、太阳能转换、光催化、量子信息等技术的应用前景。最后，作者还指出了量子点商业化过程中仍然存在的挑战，量子点的技术进步要求多方面的研究取得突破，包括量子点合成和组装、与现有平台进行有效集成以及发展量子点特异性的器件设计。研究成果以题为“Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges”发布在国际著名期刊Science上。

【图文解读】

图一、量子限域和量子点材料制备

（A）当电子波函数振幅小于波尔激子半径时会产生量子限域效应，能够导致尺寸相关的光学和电学性质出现；

（B到E）零维半导体纳米结构的制备技术，包括在玻璃熔融态上进行高温沉积、自上而下的刻蚀、基于分子束外延层层沉积的纳米岛的成核生长、基于溶液的胶体合成。

图二、用于显示和发光的量子点材料

（A）色品图用于量化显示设备的颜色质量；

（B到D）不同的量子点基显示技术，这其中量子点通过光学或者电学进行激发；

（E）在相似波长将量子点发射的高色纯度与OLEDs发射进行比较；

（F）量子点发光二极管的效率降幅图；

（G）通过分级胶体量子点组分，可抑制俄歇复合，从而实现高达~0.15 Mcd m⁻²的亮度水平（外量子效率可达~13.5%且几乎无下降现象）。

图三、量子点产生激光原理及其近期研究进展

（A）基于双激子可使量子点产生光学增益；

（B）建模证明cw激光阈值与双激子具有强关联性；

（C）基于双轴应变增加空穴态之间的分裂可导致光学增益阈值的下降，从而实现cw激光；

（D）连续分级胶体量子点展现出对俄歇衰减的强大抑制，并增加双激子发射效率并延长光学增益寿命；

（E）电流聚集发光二极管结构；

（F）在电流聚集发光二极管结构中集成连续分级胶体量子点实现光放大作用。

图四、用于传感的量子点材料

（A）早期依赖于场发射的量子点光电探测器；

（B）胶体量子点经过编程表面改性和组装可实现光电导性胶体量子点固体；

（C）基于碲汞矿胶体量子点的光电探测；

（D）胶体量子点集成到硅基成像技术并形成新的探测构造；

（E）胶体量子点与高迁移材料的结合可提供巨大的光电导性增益；

（F）胶体量子点也可通过光电压晶体管与硅进行单片集成。

图五、用于太阳能富集的量子点半导体

（A）太阳能辐照光谱和能量蓄积效应；

（B）胶体量子点的吸收可以在整个太阳能光谱中进行调控；

（C）量子点固体的有效光伏运行要求缺陷最小化、开路电压以及足够的量子点偶联；

（D到E）钙钛矿胶体量子点已经成为实现高质量钙钛矿固体的策略之一；

（F）在荧光太阳能集光器（LSC）中，胶体量子点吸收入射太阳光并重发射低能光子；

（G）LSC的性能可通过提高LSC质量因子来增加，该质量因子定义为入射光子和重发射光子的比值；

（H）胶体量子点也是储存太阳能的光/电催化剂的候选材料。

图六、用于量子光产生（Quantum light generation）的量子点材料

（A）上图：基于量子点偶联共振腔的单光子源，下图：二阶强度相关函数；

（B）如果两个光子同时达到分束器，他们就会以光子对的形式沿着相同的光学途径进行运动；

（C）偏振纠缠光子对的产生；

（D）偏振光学相干层析系统可分析纠缠程度；

（E）CsPbX₃量子点的超荧光；

（F）CsPbX₃量子点的单光子发射。

【小结】

通过构建量子点的功能可以进一步实现量子点的应用潜力。例如，对于量子点带隙的控制和构建可以通过改变量子点尺寸来实现，使其有望在发光显示、太阳能富集、激光通讯、传感、医学诊断等领域发挥巨大的作用。而散的类原子电子能态结构可促使量子点在室温下展现出窄带明亮发光性能，可推动新型电视和现实设备的发展。再比如通过对非辐射俄歇复合等性能限制因素的不断研究，量子点发光二极管目前已经展现出了极佳的亮度。除此之外，量子点在激光器、太阳能富集等领域均具有巨大的应用前景。文章还阐述了量子点技术进一步发展所面临的挑战：材料制备方面还需要解决量子点制备质量、生产成本、长期稳定性等问题；而在应用方面则需要解决量子点器件的规模化制造以及标准评价等问题。只有克服这些挑战，才能有望推动量子点走向更广阔的市场。

文献链接：Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges,Science,2021, DOI: 10.1126/science.aaz8541.