量子点的发展历程

量子点(Quantum Dots)是指空间三个维度上存在量子限域效应的半导体纳米晶材料，又被称作“人造原子”。量子点材料的粒径一般介于1-10nm，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成分立能级结构，由此带来了发光光谱窄(20-30nm)，色度纯高，色域广等优势。

在当今纳米研究领域，量子点算是明星材料之一。量子点技术的起源要追溯到上世纪70年代中期，最初它是为了解决全球能源危机而发展起来的。目前，量子点的发展主要分为以下四个阶段：

第一阶段：

1983年，Bell实验室的Brus首次报道了CdS纳米晶具有尺寸效应等相关的性质，拉开了量子点研究的序幕[1]。

1993年，MIT的Bawendi教授和其学生Murray、Norris在JACS上发表了制备高质量CdE(E=Se、Te、S)的合成方法[2]，对于均一形貌量子点制备进行了探究。这一阶段的量子点纳米晶都是通过共沉淀法制备得来的。这种纳米晶由于尺寸分布不均匀，且表面缺陷较多，难以得到实际的应用。

第二阶段：

1994年，Alivisatos教授在Nature上发表了利用CdSe量子点构建发光二极管(LED)的文章[3]，开启了量子点在光电转换领域应用的密码。

1998年，Alivisatos教授[4]和聂书明[5]教授各自同时在Science上撰文，将水溶性的量子点应用于生物医学领域，证实量子点在这一领域大有可为。Science杂志把这两篇文章放在同一期中一前一后发表，这就是量子点研究领域著名的“2013和2016”事件。

第三阶段：

2001年，彭笑刚教授实现了高质量量子点的简单、大规模的合成[6]，将量子点带到了全世界的普通实验室中，让更多的研究员进行研究。为之后量子点的飞速发展奠定了基础。同年，聂书明教授和其学生韩明勇在Nature Biotechnology发表了利用量子点进行多色标记和编码方面的工作，实现了一直以来利用荧光编码的梦想。

2002年，Alivisatos教授首次将量子点的应用拓展至太阳能电池领域。虽然基于量子点的太阳能电池还没有代替染料敏华太阳能电池，转化效率也不及染料。同年，德国的Weller课题组在JPCB上发表了水相合成CdTe量子点的文章，进一步降低了量子点的合成要求，让CdTe量子点走进了亚洲(尤其是中国)的实验室中[7]。但只能用于高质量的CdTe的合成，且在晶体质量、发光强度、稳定性方面都逊于有机相中合成的量子点。

2003年，Larson等人在Science上报道了量子点的多光子发射性质，这样在荧光成像的时候可以完全避开生物组织的背景荧光[8]。

2004年，聂书明和高小虎在Nature Biotechnology上报道量子点在活体肿瘤成像方面的应用[9]。同年，Bhatia在Nano Letter上报道了量子点的生物毒性[10]。这篇文章不但给对量子点狂热的人们敲了一个警钟，同时开启了另外一个研究热点：纳米材料的生物毒性;也是标志着量子点的研究趋于理性：看到其优势的同时，也考虑到其生物兼容性等。

2004年开始，多位科学家报道了CuInS、InP/ZnSe、 MnSe/ZnSe、Si、C等无重金属离子量子点的研究。

第四阶段：

2005年，Michalet[11]和 Medintz、Mattoussi[12]分别综述了量子点在生物传感、标记和成像领域的应用。

2012年，新加坡南洋理工大学Luminous!实验室研发了CdS纳米晶体的白光QD-LED，制备了覆盖所有可见光波段范围的InP/ZnS无镉量子点[13]。

综上所述，未来更绿色、更低毒、兼容性更强、发光效率更高的量子点材料将成为量子点研究的主要方向。改变量子点材料的颗粒尺寸即可实现整个可见光谱区的覆盖，将不同尺寸的量子点按照一定比例混合，即可实现类似于太阳光的自然光色，得到较高的显色指数。量子点材料在提高色彩饱和度与显色指数的同时，还能降低显示与照明的功耗，必将成为下一代显示与照明用核心关键光转化材料。(作者：张敏)

参考文献：

[1]R.Rossetti，S.Nakahaha，L.E.Brus.Quantum size effects in the redoxPotentials，

resonance Raman spectra，and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solution[J].The Journal of Chemical Physics，1983，79：1086.

[2]C.B.Murray，D.J.Norris，M.G.Bawendi.Synthesis and Characterization of Nearly Monodisperse CdE(E=S，Se，Te) Semiconductor Nanocrystallites[J].J.Am.Chem.Soc.

1993，115，8706-8715.

[3]V.L.Colvin，M，C， Schlamp&A.p.ALivisatos. Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer[J]. Letters to Nature，1994，Nature 370，354-357.

[4]MB Jr，APAlivisatos. Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological labels[J].Science， 1998，281 (5385) ：2013

[5]Chan WC， Nie S. Quantum Dot Bioconjugates for Ultrasensitive NonisotopicDetection[J]. Science (New York， N.Y.) ， 1998 ， 281 (5385) ：2016

[6]ZA Peng， X Peng. Formation of High-Quality CdTe， CdSe， and CdS Nanocrystals Using CdO as Precursor[J]. Journal of the American Chemical Society， 2001， 123 (1) ：183-4.

[7]NikolaiGaponik，DmitriV.Talapin， HorstWeller， Thiol-Capping of CdTe

Nanocrystals：An Alternative to Organometallic Synthetic Routes[J].J.Phys.Chem.

B2002，106，7177-7185.

[8]Larson DR， Zipfel WR， Williams RM. Water-Soluble Quantum Dots for Multiphoton fluorescence imaging in vivo[J].Science. 2003 30;300(5624)：1434-6.

[9]GaoX. H.， CuiY. Y.， Levenson R. M， et.al..In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots[J]. NatureBiotechnol.， 2004， 22， 969-976.

[10]Derfus A. M.， Chan W. C. W.， Bhatia S. N. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots[J]. Nano Letter， 2004， 4， 11-18.

[11]Michalet X， Pinaud FF， BentolilaLA，et.al..Quantum Dots for Live Cells， in Vivo Imaging， and diagnostics[J].Science， 2005 Jan 28;307(5709)：538-44.

[12]Medintz IL， Uyeda HT， Goldman ER，et.al.. Quantum dot bioconjugates for imaging， labeling and sensing[J].Nature Materials. 2005 Jun;4(6)：435-46.

[13]X Yang， ST Tan， XW Sun，et.al..High-quality InP/ZnS nanocrystals with high photometric performance and their application to white quantum dot light-emitting diodes[J].Photonics Conference ， 2012 ， 98 (5) ：758-759.