纳米科技概论第四量子点.pptVIP

第四章 人造原子-量子点 什么是量子点？ 量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略的说，量子点的三个维度的尺寸都在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能级结构，因此量子点又被称为“人造原子”。 科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在21世纪的纳米电子学上有极大的应用潜力。 量子限域效应导致费米能级附近的电子能及由连续变为离散能级或能隙变宽，具有类似分子特性的分立能级结构，受激后可发射荧光（右图）。 什么是量子点？ 若要严格定义量子点，则必须由量子力学出发。电子的物质波特性取决于其费米波长。 λF?=?2π?/?kF 在一般的材料中，电子的波长远小于材料的尺寸，因此量子局限效应不显著。如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称之为量子阱；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称之为量子线；当三个维度的尺寸都缩到一个波长以下时，就成为量子点了。 什么是量子点？ 由此可见，并非小到100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子的德布罗意波长或平均自由程。 一般而言，电子费米波长在半导体内较在金属内长得多，例如在半导体材料砷化镓GaAs中，费米波长约40nm，在铝金属中却只有0.36nm。 量子点分类 II-VI族：CdSe,CdTe,ZnS,MgSe等 III-V族：InAs； IV-IV族：SiC,SiGe； IV族：Si,Ge； IV-VI族：PbSe； 单量子点：Au,Gu等 70 年代，量子点由于其独特的光学特性,认为其应用主要集中在电子与光学方面。 80 年代，生物学家已经对量子点产生了浓厚的兴趣，但由于它的荧光量子产率低，工作集中在研究量子点的基本特性方面。 1997 年以来，量子点制备技术的不断提高, 量子点已越来越可能应用于生物学研究。 量子点可作为生物探针是从1998年Alivisatos AP. 和Chan WC两个研究小组开始，此后量子点的功能进一步被发现、推广，使之成为生物学领域研究的热点。 量子点的制备方法 量子点的制备方法 2.自组成法(self-assembly method)：采用分子束磊晶(molecular-beam epitaxy)或化学气相沉积(chemical vapor deposition)过程，并利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子点在特定基材表面自聚生长，可大量生产排列规则的量子点。 在GaAs基材上以自组成法生长InAs量子点的STM影像 量子点的制备方法 3.微影蚀刻法(lithography　and　etching)：以光束或电子束直接在基材上蚀刻制作出所要之图案，由于相当费时因而无法大量生产。 以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点之SEM影像 量子点的制备方法 4.分闸法(split-gate approach) ：以外加电压的方式在二维量子井平面上产生二维局限，可控制闸极改变量子点的形状与大小，适合用于学术研究，无法大量生产。 分闸法产生量子点之SEM图像 量子点的制备方法小结 表面改性及合成 有机合成CdSe 量子点步骤为双甲基镉和硒开始以特定的比例（通常摩尔比1.4:1.0）溶解在有机溶剂三正辛基中，并且加入三正辛基氧化物（TOPO,350℃）作为协调剂，Ar气氛保护。快速降温以防止量子点进一步长大。 要使用生物量子点，需在其外覆盖ZnS或者CdS，以提高其荧光产率和保证量子点不被氧化，最大程度的降低毒性和耐光性。 合成量子点的改善途径 之前的方法合成的量子点是非极性（即疏水）的，存在生物不相容性。解决的方法是采用化学交换法改变表面化学特性，即双功能试剂（如巯基酸）与表面金属离子配合。例如巯基（MAA中的）与膦氧化物（TOPO中的）结合，绑定到金属原子上。如果双功能分子中还有极性官能团，量子点将变得高度极性并且易溶于水溶剂。 缺点是絮凝现象和产量下降。 表面修饰有三正辛基氧化磷（TOPO）的量子点先与双亲聚合物的疏水长链以疏水作用力相互结合，再通过疏水基团的亲水集团与生物分子连接。另外对量子点表面进行硅烷化处理，嵌入可以与生物分子连接的官能团。 。目前已有多家公司提供量子点，有至少8种颜色量子点可购得。用聚乙二醇涂层非特异性结合到量子点上，以降低其非与生物的非特异性结合。CCD相机的可识别范围增大，也为提高量子点的灵敏度提供了可能。 量子点的性质和用途 量子点的用途相当广泛，例如：可用