1、量子点的物理效应量子尺寸效应量子尺寸效应通过控制量子点的形状、结构、尺寸，可以很方便通过控制量子点的形状、结构、尺寸，可以很方便的调节其能隙宽度、束缚能大小以及激子的能量蓝的调节其能隙宽度、束缚能大小以及激子的能量蓝移等电子移等电子状态状态表面效应表面效应粒径减小，比表面积增大，表面原子数量增多，导粒径减小，比表面积增大，表面原子数量增多，导致表面原子配位数不足，表面断键增多，使量子点致表面原子配位数不足，表面断键增多，使量子点活性增大。同时表面缺陷导致陷阱电子或空穴影响活性增大。同时表面缺陷导致陷阱电子或空穴影响量子点的发光量子点的发光特性，特性，介电限域效应介电限域效应由于量子点与电子的由
2、于量子点与电子的De BroglieDe Broglie波长、相干波长及波长、相干波长及激子激子BohrBohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域性和相干性增强，将引起量子限域效应效应量子隧道效应量子隧道效应纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系可以使电子越过纳
3、米势垒形成费米电子海，使体系变为导电变为导电. .电子从一个量子阱穿越量电子从一个量子阱穿越量子垫垒进入另一子垫垒进入另一个量子阱就出现了量子隧道效应个量子阱就出现了量子隧道效应量子点主要的性质: 光学特性量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以CdTeCdTe量子为例，当它的粒径从量子为例，当它的粒径从2.5nm2.5nm生长到生长到4.0nm4.0nm时，时，它们的发射波长可以从它们的发射
4、波长可以从510nm510nm红移到红移到660nm660nm量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料比最常用的有机荧光材料“罗丹明罗丹明6G”6G”高高2020倍，倍，它的稳定性更是它的稳定性更是“罗丹明罗丹明6G”6G”的的100100倍以上。因倍以上。因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具供了有力的工具。量子点具有宽的激发光谱和窄的发射光谱。使用量子点具有宽的激发光谱和窄的发
5、射光谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了荧光标记在中的应用。此外，量子点具有窄而对荧光标记在中的应用。此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠用时不容易出现光谱交叠。量子点具有较大的斯托克斯位移。量子点不同于量子点具有较大的斯托克斯位移。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重
6、叠，移，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测有利于荧光光谱信号的检测生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其细胞毒性低，对生物体可以进行特异性连接，其细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测危害小，可进行生物活体标记和检测量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒一般仅为几纳秒( (这与很多生物样本的自发荧光这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当）。而量子点的荧光寿命可持续衰减的时间相当）。而量子点的荧光寿命可持续数十纳秒（数十纳秒（
7、20ns20ns一一50ns)50ns)，这使得当光激发后，这使得当光激发后，大多数的自发荧光已经衰变，而量子点荧光仍然大多数的自发荧光已经衰变，而量子点荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号信号多重多重激子效应（激子效应（Multiple Exciton GenerationMultiple Exciton Generation，简称简称MEGMEG）可）可通过一个光子能量产生多个激子或通过一个光子能量产生多个激子或电子空穴对，更加有效的利用太阳能电子空穴对，更加有效的利用太阳能量子点的种类量子点量子点一元量子点一元量子点C C量子点量子点SiSi量
8、子点量子点二元量子点二元量子点不含重金属的量子点（不含重金属的量子点（ZnOZnO、SiOSiO2 2) )含重金属的量子点（含重金属的量子点（CdSCdS、PbSPbS等）等）三元量子点（三元量子点（CdSeCdSex xTeTe1-x1-x、CuInSCuInS2 2）碳量子点（CQDs or CDs ） 碳碳纳米材料家族的新秀纳米材料家族的新秀碳量子碳量子点是点是一类一类由碳、氢、氧、氮等由碳、氢、氧、氮等元素组成元素组成，以，以spsp2 2 杂化碳为主杂化碳为主的表面带有大量含氧基团的表面带有大量含氧基团，且，且颗粒尺寸小于颗粒尺寸小于10 nm 10 nm 的准球型碳纳米的准球型碳
9、纳米粒子。具有粒子。具有高的载流子迁移率、良高的载流子迁移率、良好的热学和化学稳定性好的热学和化学稳定性以及环境友好性、价格低廉以及环境友好性、价格低廉等无可比拟等无可比拟的的优势优势。SiC量子点 新型新型SiCSiC 量子点荧光标记与量子点荧光标记与成像材料成像材料是一种生是一种生物惰性陶瓷材料，具有生物相容性物惰性陶瓷材料，具有生物相容性及光学及光学性能优良性能优良等等特点。特点。 采用采用化学腐蚀法制备碳化硅量子点由于工艺操化学腐蚀法制备碳化硅量子点由于工艺操作作简单简单、可一步法实现量子点的表面修饰而成为目、可一步法实现量子点的表面修饰而成为目前前制备制备碳化硅量子点的主流方法碳化硅
10、量子点的主流方法之一。之一。ZnO量子点 氧化锌氧化锌量子点作为一种半导体材料具备许多优量子点作为一种半导体材料具备许多优越的特征越的特征: :价带一导带的价带一导带的间隙较间隙较宽宽(3.37 eV),(3.37 eV),激子激子结合能相当大结合能相当大( (室温下大约室温下大约60 60 meVmeV),),无毒无害无毒无害, ,成本成本低廉低廉等等。这些优点使氧化锌是一种很有实用价值等等。这些优点使氧化锌是一种很有实用价值的发光的发光材料材料。量子点的制备方法量子点的合成方法包括外延技术（如量子点的合成方法包括外延技术（如MBEMBE、MOVPEMOVPE、LPELPE等）以及化学方法等
11、）以及化学方法( (如金属有机合成法、水相合如金属有机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法、微乳液法、溶胶成法、连续离子层吸附反应法、微乳液法、溶胶- -凝胶法、溶剂热法、共沉淀法等等凝胶法、溶剂热法、共沉淀法等等) )。其中金属有其中金属有机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法量机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法量子点晶体生长好，量子产率高子点晶体生长好，量子产率高量子点的制备 量子量子点制备通常分为点制备通常分为 top-down top-down 和和 bottom-up bottom-up 两类，前者在晶体表面蚀刻而成两类，前者在晶体表面蚀刻而成，有有立足于组成器件的优
12、势；后者来自于化学立足于组成器件的优势；后者来自于化学制备，粒径和界面可由反应条件控制制备，粒径和界面可由反应条件控制，界面，界面还可以连接不同的化学基团，易于自组织，还可以连接不同的化学基团，易于自组织，这种特点使它在生物体系标记这种特点使它在生物体系标记方面方面大有所为大有所为成为可能成为可能。1. 有机相合成法 主要主要是将有机金属前驱体是将有机金属前驱体溶液注射溶液注射进高温配体进高温配体溶液中，前驱体在高温条件下迅速热解并成核，接溶液中，前驱体在高温条件下迅速热解并成核，接着晶核缓慢着晶核缓慢生长生长为纳米晶（简称为纳米晶（简称 TOP/TOPO TOP/TOPO 法）法）。前驱体：
13、二甲基镉三辛基硒（碲、硫）磷配体：三辛基氧磷（TOPO）注入高温（200-600）CdTe量子点有机合成量子点示意图这种这种方法缺点方法缺点巨大巨大很多原料都很多原料都需要在标准的无氧无水下进行需要在标准的无氧无水下进行操作操作u实验实验操作所需的氩气流动下的手套箱，是操作所需的氩气流动下的手套箱，是一笔不菲的一笔不菲的开支开支n高高纯度的原料要求也不是一般的厂家所能纯度的原料要求也不是一般的厂家所能生产生产的的需要用的金属需要用的金属化合物前驱体化合物前驱体（如二甲基镉（如二甲基镉 Cd(CHCd(CH3 3) )2 2）具有相当大具有相当大的的毒性和自燃性毒性和自燃性，价格昂贵，价格昂贵，
14、在室温下不稳定，需要在室温下不稳定，需要高压高压储存，反应时储存，反应时在注入时会爆炸性地释放出大量气体和热在注入时会爆炸性地释放出大量气体和热。因此，用因此，用 Cd(CHCd(CH3 3) )2 2的相关合成方法，并不适的相关合成方法，并不适合大量的生产。合大量的生产。2.水相合成法 经过经过人们十多年的研究，人们十多年的研究，在水溶液在水溶液中合中合成纳米颗粒已发展成为一种比较成熟的方法。成纳米颗粒已发展成为一种比较成熟的方法。研究人员采用各种巯研究人员采用各种巯基化合物基化合物，如巯基酸、，如巯基酸、巯基醇、巯基胺以及巯基氨基酸等小分子作巯基醇、巯基胺以及巯基氨基酸等小分子作为稳定剂，
15、在为稳定剂，在水溶液水溶液中，中，100100的条件下晶的条件下晶化生长化生长 CdTeCdTe 荧光纳米颗粒荧光纳米颗粒。 与有机相合成相比，水相合成与有机相合成相比，水相合成具有操作具有操作简单、成本低、毒性小等优势，而且无需进简单、成本低、毒性小等优势，而且无需进一步的表面修饰即可应用在生物医学领域一步的表面修饰即可应用在生物医学领域。传统水相加热回流法CdTe量子点Al2Te3和H2SO4H2Te气体Cd金属盐和配体溶液水溶性CdTe前驱体溶液N2鼓入将体系加热至100回流晶核形成、生长控制反应时间可得到不同粒径 但是这种方法，但是这种方法，由于水的沸点较低，不由于水的沸点较低，不利于
16、晶体结晶生长，这样合成的荧光纳米颗利于晶体结晶生长，这样合成的荧光纳米颗粒粒表面缺陷较多表面缺陷较多。体现在光学性质上，其荧。体现在光学性质上，其荧光光谱的光光谱的半峰较宽，量子产率不高半峰较宽，量子产率不高，因此，因此，需要后处理来提高纳米颗粒的质量。需要后处理来提高纳米颗粒的质量。3.高温水热法高温水热制备方法高温水热制备方法不仅继承了传统水相法不仅继承了传统水相法的优点，而且克服了水相法中回流温度不的优点，而且克服了水相法中回流温度不能超过能超过100100的缺点的缺点。由于制备温度的提高，使得量子点成核和由于制备温度的提高，使得量子点成核和生长所需的时间明显缩短，制备得到的量生长所需的
17、时间明显缩短，制备得到的量子点子点表面缺陷也显著减少表面缺陷也显著减少，表现为量子点，表现为量子点的的荧光量子效率有较大提高荧光量子效率有较大提高。4.微波辐射法微波辐射法具有以下优点：微波辐射法具有以下优点：升温升温速度速度快快温度梯度小温度梯度小选择性选择性加热加热等等微波微波合成反应时间极合成反应时间极短短量子量子点尺寸更点尺寸更均匀均匀量子产率量子产率更更高高微波微波法制备水溶性量子法制备水溶性量子点有点有不可取代的不可取代的地位地位Te粉NaHB4CdCl2溶液有机配体（巯基乙酸等）NaHTe溶液迅速密封，磁力搅拌，冰水中反应迅速加入转移至聚四氟乙烯内衬的消解罐中于微波消解仪中加热。
18、（加热温度，升温速率，功率）N2脱氧调PHCdTe前驱体溶液CdTe量子点5.室温水相 20112011年年, ,吉林大学吉林大学Ding ZhouDing Zhou等人发等人发明明了一种在了一种在室温下制备水相室温下制备水相CdTeCdTe量子点量子点的的方法方法, ,他们他们在在水合肼的水合肼的环境中常温下就环境中常温下就可以合成表面可以合成表面修饰修饰（琉基（琉基乙酸、巯基丙酸乙酸、巯基丙酸、琉、琉基基乙胺、硫代甘油、谷肮甘肽、半胱氨酸、蔬基苯甲酸乙胺、硫代甘油、谷肮甘肽、半胱氨酸、蔬基苯甲酸及带疏基的环及带疏基的环糊精）糊精）的的CdTeCdTe量子量子点点只需要通过调整试剂的配比和加
19、入速度就只需要通过调整试剂的配比和加入速度就可以制出不同发光波段的可以制出不同发光波段的量子点。量子点。试剂试剂加入的顺序是实验成功的重要加入的顺序是实验成功的重要条件条件易实现工业化生产易实现工业化生产控制反应时间就可以得到突光发射从绿光控制反应时间就可以得到突光发射从绿光到红光的量子到红光的量子点点其其量子效率与高温回流法制得的量子点量子效率与高温回流法制得的量子点相相当当实验实验操作简单操作简单, ,在整个过程中不需要氮气保在整个过程中不需要氮气保护护, ,而且具有普适性而且具有普适性, ,为为今后室温制备其他今后室温制备其他II-VIII-VI族量子点奠定了族量子点奠定了很好的基础。很
20、好的基础。Figure 2. TEM and HRTEM images of the as-prepared CdTeQDs respectively with the emission at (a) 532, (b) 559, (c) 590, and(d) 620 nm.准球形粒子，和之前准球形粒子，和之前报道的水溶性量子点报道的水溶性量子点一致一致QDQD越小，带宽越大，越小，带宽越大，吸收峰蓝移吸收峰蓝移存放两小时之后，就可以合成从绿光到红光的CdTe在初始粒子尺寸急速变化后，量子点的生长几乎就终止了。（即随时间延长，吸收峰值不会大幅改变，如图4a）由于对时间不需要严格控制，所以这对商
21、业化重复性合成量子点是非常有利的。6.微乳液法制备量子点 目前，微乳液法制备目前，微乳液法制备-半导体半导体纳米粒子中使用较多的是纳米粒子中使用较多的是AOTAOT作为作为表面表面活性剂活性剂。微乳。微乳液法制备的液法制备的都是都是单一单一结构结构的半导体纳米的半导体纳米粒子。粒子。所以一般很少用到。所以一般很少用到。7、连续离子层吸附反应法连续离子层吸附反应法综合了化学浴沉积和原子连续离子层吸附反应法综合了化学浴沉积和原子层外延法的优点，可用于制备不溶性离子或离子层外延法的优点，可用于制备不溶性离子或离子价化合物的多晶或外延薄膜。具备成本低廉、制价化合物的多晶或外延薄膜。具备成本低廉、制备工
22、艺简单、材料便宜，可实现低温制备等特点。备工艺简单、材料便宜，可实现低温制备等特点。薄膜厚度和成膜速率易于控制等特点薄膜厚度和成膜速率易于控制等特点。连续离子层吸附反应法的机理衬底沉浸到其中一中前驱液中，具有较强吸附力衬底沉浸到其中一中前驱液中，具有较强吸附力的离子吸附到衬底上，该过程称为吸附阶段的离子吸附到衬底上，该过程称为吸附阶段衬底沉浸在另一种前驱液中，已经吸附的离子与衬底沉浸在另一种前驱液中，已经吸附的离子与溶液中的另一种离子发生反应形成化合物，这个溶液中的另一种离子发生反应形成化合物，这个过程称为反应阶段。过程称为反应阶段。通过连续离子层吸附法制备通过连续离子层吸附法制备HgHg掺杂
23、的掺杂的PbSPbS的示意图的示意图量子点的应用在生命科学中的应用QDsDs特殊的光电性质使其在分子生物学、细胞生物特殊的光电性质使其在分子生物学、细胞生物学、基因组学、及蛋白质组学等方面具有极大的应学、基因组学、及蛋白质组学等方面具有极大的应用前景，制备的功能化的量子点探针能清晰的分辨用前景，制备的功能化的量子点探针能清晰的分辨肿瘤细胞，有望疾病诊断和治疗的有效材料肿瘤细胞，有望疾病诊断和治疗的有效材料产品质量检测方面的应用通过修饰通过修饰QDsQDs的表面活性基团、相转移、紫外光照的表面活性基团、相转移、紫外光照复合等过程，使得量子点沉积在指纹纹线上，从而复合等过程，使得量子点沉积在指纹纹
24、线上，从而清晰显现指纹图像，应用在分析产品质量测定金属清晰显现指纹图像，应用在分析产品质量测定金属离子及药物含量，为质量安全控制体系做出重要贡离子及药物含量，为质量安全控制体系做出重要贡献，具有成本低稳定性好等特点。献，具有成本低稳定性好等特点。在光电学元器件中的应用QDsQDs采用采用其光致发光性能，其光致发光性能，在在GaNGaN基基LEDLED中中作为光转作为光转换层换层; ;采用采用其电致发光性能，将其用于量子点其电致发光性能，将其用于量子点发光发光，为其在为其在光电器件光电器件LCDLCD等等的应用提供的应用提供基础基础. . 半导半导体体表表现现出很强的尺寸效应和量子限域效应，使其
25、具有增出很强的尺寸效应和量子限域效应，使其具有增强的三强的三阶非线性光学阶非线性光学性能，在光信息存储及光通讯性能，在光信息存储及光通讯快速开关器件上显示出广泛的应用快速开关器件上显示出广泛的应用前景前景在太阳能电池和光催化领域的应用-族化合物多为直接窄带隙半导体材料，与族化合物多为直接窄带隙半导体材料，与太阳光谱匹配，且吸光系数大，是性能优异的太阳太阳光谱匹配，且吸光系数大，是性能优异的太阳能电池光吸收层材料，提高光电转换效率，有望实能电池光吸收层材料，提高光电转换效率，有望实现太阳能电池的低成本化现太阳能电池的低成本化. .同时，目前已研究开发同时，目前已研究开发带隙窄可被可见光有效激发的
26、高活性光催化剂，用带隙窄可被可见光有效激发的高活性光催化剂，用于分解水产氢研究，有效提高产氢速率而引起了人于分解水产氢研究，有效提高产氢速率而引起了人们广泛关注们广泛关注环境科学方面的应用环境科学方面的应用利用不同物质包被利用不同物质包被的的PbSPbS量子点，量子点，开发不同离子和开发不同离子和气体传感器广泛应用于检测环境有毒物质和内分泌气体传感器广泛应用于检测环境有毒物质和内分泌干扰素干扰素的毒性，衡量环境污染物对的毒性，衡量环境污染物对人和动物人和动物和植物和植物的影响，进行环境污染物定性定量分析方面研究，的影响，进行环境污染物定性定量分析方面研究，为为环境监测提供环境监测提供新的方法和技术新的方法和技术谢谢大家
