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量子�(diǎn)
閱讀�20255�(shí)間:2011-05-15 21:56:08

  量子�(diǎn)從實(shí)�(zhì)上來(lái)講是一種特殊的半導(dǎo)�納米材料,它三�(gè)維度的尺寸都�100nm以下,外觀(guān)恰似一極小的點(diǎn)狀�,其�(nèi)部電子的能量在三�(gè)維度上都是量子化�,量子點(diǎn)�(dú)特的性質(zhì)基于它自身的量子效應(yīng),當(dāng)顆粒尺寸�(jìn)入納米量�(jí)�(shí),尺寸限�?qū)⒁鸨砻嫘?yīng),量子限域效�(yīng),宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)和尺寸效�(yīng),從而派生出納米體系具有常觀(guān)體系和微觀(guān)體系不同的低維物��

物理性質(zhì)

  �(dāng)�(gòu)成固體的微粒小到一定程度時(shí),電子局限在納米空間,電子輸�(yùn)受到限制,電子平均自由程很短,電子的局域性和相干性增�(qiáng),引起量子限域效�(yīng),電子被“鎖”在納米�(dǎo)電區(qū)域,納米�(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的量子墊壘,當(dāng)電壓很低�(shí),電子被限制在納米尺度范圍運(yùn)�(dòng),升高電壓可以使電子越過(guò)納米�(shì)壘形成費(fèi)米電子海,使體系�?yōu)�?dǎo)電.電子從一�(gè)量子阱穿越量子墊壘�(jìn)人另一�(gè)量子阱就出現(xiàn)了量子隧道效�(yīng),在單電子晶體管只要控制單�(gè)電子的運(yùn)�(dòng),就可以觀(guān)�(cè)到單電子隧道效應(yīng),即可實(shí)�(xiàn)讀�(xiě)功能,其響應(yīng)速度可提�10~3量級(jí)�

  微粒尺寸越小,表面原子所占的比例越大,因而其表面活性很高。表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸�(yùn)和結(jié)�(gòu)型的變化,同�(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。表面缺陷導(dǎo)致陷阱電子或空穴,它們反�(guò)�(lái)�(huì)影響量子�(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)、引起非�(xiàn)性光�(xué)效應(yīng)。金屬體材料通過(guò)光反射而呈�(xiàn)出各種特征顏色,由于表面效應(yīng)和尺寸效�(yīng)使納米金屬顆粒對(duì)光反射系�(shù)顯著下降,通常低于1%,因而納米金屬顆粒一般呈黑色,粒徑越�,顏色越�,即納米顆粒的光吸收能力越強(qiáng),呈�(xiàn)出寬頻帶�(qiáng)吸收��

量子效應(yīng)

  量子�(diǎn)�(dú)特的性質(zhì)基于它自身的量子效應(yīng),當(dāng)顆粒尺寸�(jìn)入納米量�(jí)�(shí),尺寸限�?qū)⒁鸪叽缧?yīng)、量子限域效�(yīng)、宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)和表面效�(yīng),從而派生出納米體系具有常觀(guān)體系和微觀(guān)體系不同的低維物性,展現(xiàn)出許多不同于宏觀(guān)體材料的物理化學(xué)性質(zhì),在非線(xiàn)形光�(xué)、磁介質(zhì)、催化、醫(yī)藥及功能材料等方面具有極為廣闊的�(yīng)用前�,同�(shí)將對(duì)生命科學(xué)和信息技�(shù)的持�(xù)�(fā)展以及物�(zhì)�(lǐng)域的基礎(chǔ)研究�(fā)生深刻的影響�

  1 表面效應(yīng)

  表面效應(yīng)是指隨著量子�(diǎn)的粒徑減�,大部分原子位于量子�(diǎn)的表面,量子�(diǎn)的比表面積隨粒徑減小而增�。由于納米顆粒大的比表面�,表面相原子�(shù)的增多,�(dǎo)致了表面原子的配位不�、不飽和鍵和懸鍵增多.使這些表面原子具有高的活性,極不�(wěn)�,很容易與其它原子結(jié)合。這種表面效應(yīng)將引起納米粒子大的表面能和高的活�。表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸�(yùn)和結(jié)�(gòu)型的變化,同�(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變�。表面缺陷導(dǎo)致陷阱電子或空穴,它們反�(guò)�(lái)�(huì)影響量子�(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)、引起非�(xiàn)性光�(xué)效應(yīng)。金屬體材料通過(guò)光反射而呈�(xiàn)出各種特征顏�,由于表面效�(yīng)和尺寸效�(yīng)使納米金屬顆粒對(duì)光反射系�(shù)顯著下降,通常低于 ,因�1%納米金屬顆粒一般呈黑色,粒徑越�,顏色越�,即納米顆粒的光吸收能力越強(qiáng),呈�(xiàn)出寬頻帶�(qiáng)吸收��

  2 量子限域效應(yīng)

  由于量子�(diǎn)與電子的 De Broglie 波長(zhǎng)、相干波�(zhǎng)及激� Bohr 半徑可比�,電子局限在納米空間,電子輸�(yùn)受到限制,電子平均自由程很短,電子的局域性和相干性增�(qiáng),將引起量子限域效應(yīng)。對(duì)于量子點(diǎn),當(dāng)粒徑� Wannier 激� Bohr 半徑 aB相當(dāng)或更小時(shí),處于強(qiáng)限域區(qū),易形成激子,�(chǎn)生激子吸收帶。隨著粒徑的減小,激子帶的吸收系�(shù)增加,出�(xiàn)激子強(qiáng)吸收。由于量子限域效�(yīng),激子的能量向高能方向移�(dòng)即藍(lán)移。的�(bào)道表�,日� NEC 已成功地制備了量子點(diǎn)�,在基底上沉積納米島狀量子�(diǎn)陣列。當(dāng)用激光照射量子點(diǎn)使之激�(lì)�(shí),量子點(diǎn)�(fā)出藍(lán)光,表明量子�(diǎn)確實(shí)具有�(guān)閉電子的功能的量子限域效�(yīng)。當(dāng)量子�(diǎn)的粒徑大� Waboer激子Bohr半徑嶺時(shí),處于弱限域區(qū),此�(shí)不能形成激�,其光譜是由干帶間躍遷的一系列�(xiàn)譜組成�

  3 宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)

  傳統(tǒng)的功能材料和元件,其物理尺寸�(yuǎn)大于電子自由程,所觀(guān)�(cè)的是群電子輸�(yùn)行為,具有統(tǒng)�(jì)平均�(jié)果,所描述的性質(zhì)主要是宏觀(guān)物理量.�(dāng)微電子器件�(jìn)一步細(xì)微化�(shí),必須要考慮量子隧道效應(yīng)�100nm被認(rèn)為是微電子技�(shù)�(fā)展的極限,原因是電子在納米尺度空間中將有明顯的波�(dòng)性,其量子效�(yīng)將起主要功能.電子在納米尺度空間中運(yùn)�(dòng),物理線(xiàn)度與電子自由程相�(dāng),載流子的輸�(yùn)�(guò)程將有明顯電子的波動(dòng)�,出�(xiàn)量子隧道效應(yīng),電子的能級(jí)是分立的.利用電子的量子效應(yīng)制造的量子器件,要�(shí)�(xiàn)量子效應(yīng),要求在幾�(gè)μm到兒十�(gè)μm的微小區(qū)域形成納米導(dǎo)電域。電子被“鎖”在納米�(dǎo)電區(qū)�,電子在納米空間中顯�(xiàn)出的波動(dòng)性產(chǎn)生了量子限域效應(yīng)。納米導(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的量子墊壘,當(dāng)電壓很低�(shí),電子被限制在納米尺度范圍運(yùn)�(dòng),升高電壓可以使電子越過(guò)納米�(shì)壘形成費(fèi)米電子海,使體系�?yōu)�?dǎo)電.電子從一�(gè)量子阱穿越量子墊壘�(jìn)人另一�(gè)量子阱就出現(xiàn)了量子隧道效�(yīng),這種絕緣到導(dǎo)電的臨界效應(yīng)是納米有序陣列體系的特點(diǎn)� 量子功能器件不僅僅在于功能元件尺寸的減小,更重要是納米尺寸的功能器件所依賴(lài)的量子效�(yīng).在納米電子器件中,有特色的是單電子器件.其典型�(jié)�(gòu)是量子點(diǎn),它的電子結(jié)�(gòu)特點(diǎn)是一�(gè)�(shì)阱內(nèi)具有分立能級(jí)的量子點(diǎn)。在單電子晶體管只要控制單�(gè)電子的運(yùn)�(dòng),就可以觀(guān)�(cè)到單電子隧道效應(yīng),即可實(shí)�(xiàn)讀�(xiě)功能,其響應(yīng)速度可提3� 10 量級(jí)。這種單電子輸�(yùn)�(xiàn)象在 C60 和C 納米管中已經(jīng)得到觀(guān)�(cè).目�,室溫單電子器件,例如單電子晶體�、單電子超高密度存儲(chǔ)器,是納米電子學(xué)的熱�(diǎn)研究方向之一�

  4 量子尺寸效應(yīng)

  通過(guò)控制量子�(diǎn)的形狀、結(jié)�(gòu)和尺寸,就可以方便地�(diào)節(jié)其能隙寬�、激子束縛能的大小以及激子的能量�(lán)移等電子狀�(tài)。隨著量子點(diǎn)尺寸的逐漸減小,量子點(diǎn)的光吸收譜出�(xiàn)�(lán)移現(xiàn)象。尺寸越�,則譜藍(lán)移現(xiàn)象也越顯�,這就是人所共知的量子尺寸效�(yīng)�

分類(lèi)

  量子�(diǎn)按其幾何形狀,可分為箱形量子�(diǎn)、球形量子點(diǎn)、四面體量子�(diǎn)、柱形量子點(diǎn)、立方量子點(diǎn)、盤(pán)形量子點(diǎn)和外�(chǎng)(電�(chǎng)和磁�(chǎng))誘�(dǎo)量子�(diǎn);按其電子與空穴的量子封閉作�,量子點(diǎn)可分�1型量子點(diǎn)�2型量子點(diǎn);按其材料組�,量子點(diǎn)又可分為元素半導(dǎo)體量子點(diǎn),化合物半導(dǎo)體量子點(diǎn)和異�(zhì)�(jié)量子�(diǎn)。此�,原子及分子�(tuán)簇、超微粒子和多空硅等也都屬于量子�(diǎn)范疇�

�(yīng)�

  量子�(diǎn)的應(yīng)用主要有四�(gè)�(lǐng)域:量子�(jì)�,生�,光電器件以及光�(fā)射器��

  量子�(diǎn)在固�(tài)量子�(jì)算中的應(yīng)�,通過(guò)在石墨兩端加載小的電�,流�(jīng)量子�(diǎn)的電子流可被控制從而實(shí)�(xiàn)�(duì)自旋以及其它特性的精確�(cè)�,對(duì)糾纏量子�(diǎn)或者量子位元的操作,使得量子計(jì)算得以實(shí)�(xiàn)�

  量子�(diǎn)在生物體系中作為熒光探針:與傳統(tǒng)的熒光探針相比,納米晶體的激光光譜寬,且連續(xù)分布,而發(fā)射光譜呈�(duì)�(chēng)分布且寬度窄,顏色可�(diào),即不同大小的納米晶體能被單一波長(zhǎng)的光激�(fā)而發(fā)出不同顏色的�,并且光化學(xué)�(wěn)定性高,不易分�。如果能解決不同材料的量子點(diǎn)偶聯(lián)�(wèn)題,就可以用量子�(diǎn)代替很多熒光染料分子,從而在�(xì)胞器定位、信�(hào)�(zhuǎn)�(dǎo)、原位雜交、胞�(nèi)組分的運(yùn)�(dòng)和遷移等研究中發(fā)揮巨大作�。例如,可以將量子點(diǎn)交聯(lián)在特異性抗體上,而這些抗體是可以和�(xì)胞內(nèi)不同的細(xì)胞器和骨架系�(tǒng)特異性結(jié)�,就相當(dāng)于給各種�(xì)胞器或骨架系�(tǒng)貼上了“標(biāo)簽”,可以分辨不同的細(xì)胞器或骨架系�(tǒng)。由于大小不同、材料不同的量子�(diǎn)受到光激�(fā)后發(fā)出一系列不同顏色(光譜)的光,且�(fā)射的熒光�(qiáng)度足以使光學(xué)�(shè)備檢�(cè)到單�(dú)的量子點(diǎn)。加之量子點(diǎn)很穩(wěn)�,一般在�(shù)�(gè)小時(shí)�(nèi)可經(jīng)受反�(fù)的激�(fā),而光�(xué)特性不�(huì)有明顯變�,假如兩�(gè)分子之間可發(fā)生相互作�,則�(biāo)記其上的不同的量子點(diǎn)就會(huì)互相靠近,那么在這一區(qū)域中的光譜就�(huì)�(fā)生變�,成為兩�(gè)光譜的疊�,在合適的條件下,甚至可能發(fā)生能量轉(zhuǎn)�,即受體量子�(diǎn)的熒光增�(qiáng)。如果將某一生物�(guò)程中有關(guān)生物分子�(biāo)記上不同顏色的量子點(diǎn),就可能�(shí)�(xiàn)�(duì)活細(xì)胞內(nèi)部分子的�(jiān)�(cè),或?qū)崟r(shí)觀(guān)�(cè)給體-受體的相互作�。同�(shí)量子�(diǎn)可提供的可能性還�(yuǎn)�(yuǎn)不止這些。將聚合物與量子�(diǎn)�(jié)�(鑲嵌或包�)組合聚合物微�,這種微珠能夠包裹或外攜幾種不同尺�(不同顏色)的量子點(diǎn),當(dāng)這些膠珠被照射后,它們就�(kāi)始發(fā)�,被棱鏡傳出,�(chǎn)生幾種指定密度的清晰譜線(xiàn)--特殊的條形碼, 而形成相�(dāng)大數(shù)目的�(biāo)�(甚至�(dá)到幾十億的數(shù)�),可以附在不同基因序列組成的DNA分子上。將樣品中的基因同已知的DNA序列庫(kù)�(jìn)行比�,就可以找出在細(xì)胞和組織里的活性基因,所需要的就是�(jiǎn)單地將檢�(cè)樣品的譜�(xiàn)與微珠庫(kù)中的譜線(xiàn)�(duì)照并讀取粘在樣品上的DNA序列�

  量子�(diǎn)用在生物芯片研究中,如在�(xiàn)有的研究蛋白�(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用的蛋白質(zhì)芯片�(yīng)用中,盡管芯片上有“海量”的蛋白�(zhì),但由于受目前熒光探針性能的限�,一次通常只能將一�(或很少幾�)�(biāo)記了熒光探針的蛋白質(zhì)與芯片作用,并�(jìn)行檢�(cè)。要研究多�(gè)蛋白�(zhì)就只能多次重�(fù)上述操作,因此,這種芯片只是“單高通量”的。如果在�(yīng)用中引入了量子點(diǎn)則不�,可以作到“海量”對(duì)“海量”。即可將欲研究的各種蛋白�(zhì)用一系列不同大小、不同材�、光譜特性各自不同的量子�(diǎn)或量子點(diǎn)微粒�(biāo)記,更重要的是可以用同一波長(zhǎng)的光激�(fā),從而可以同�(shí)檢測(cè)所有標(biāo)記的蛋白�(zhì)與芯片上的蛋白質(zhì)之間的相互作�。與�(xiàn)有的方法相比,效率要大大提高。如前所�(shuō),人們可制備“海量”的量子�(diǎn)或量子點(diǎn)微粒,可�(biāo)記“海量”的蛋白�(zhì),因此可量子點(diǎn)在生物芯片研究中同樣可以大有作為。因此可以預(yù)言,量子點(diǎn)在蛋白質(zhì)芯片上的�(yīng)用可�(chǎn)生“雙高通量”分析檢�(cè)的結(jié)�,對(duì)基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究十分有用。同樣的原理也可�(yīng)用于藥物篩選,�(dá)到雙高通量藥物篩選�

  量子�(diǎn)�(yīng)用于溶液矩陣(solution array),即將不同的量子�(diǎn)或量子點(diǎn)微粒�(biāo)記在每一種生物分子上,并置于溶液�,形成所謂溶液矩�。生物分子在溶液狀�(tài)下易于保持生物分子的正常三維�(gòu)象,從而具有正常的生物功能,這是其優(yōu)于平面芯片之��

  量子�(diǎn)與太�(yáng)能電池結(jié)合,由于量子�(diǎn)的巨電導(dǎo),可變化之帶�,可變化之光譜吸收性等特性,使得量子�(diǎn)太陽(yáng)能電池可大大提高光電�(zhuǎn)化率,與目前的多晶硅太陽(yáng)能電池相比,生產(chǎn)能耗可減少20%,光電效率可增加50%�1倍以上,并降低昂貴的材料�(fèi)��

  而在半導(dǎo)體物理方�,正如前面已�(jīng)提到的量子點(diǎn)中低的態(tài)密度和能�(jí)的尖銳化,導(dǎo)致了量子�(diǎn)�(jié)�(gòu)�(duì)其中的載流子�(chǎn)生三維量子限制效�(yīng),從而使其電�(xué)性能和光�(xué)性能�(fā)生變�。這些性質(zhì)使得半導(dǎo)體量子點(diǎn)在單電子器件、存貯器以及各種光電器件等方面具有極為廣闊的�(yīng)用前�?;�?kù)侖阻塞效�(yīng)和量子尺寸效�(yīng)制成的半�(dǎo)體單電子器件具有小尺�,低消耗的特點(diǎn)�

  以量子點(diǎn)�(jié)�(gòu)為有源區(qū)的量子點(diǎn)激光器理論上具有更低的閾值電流密�、更高的光增�、更高的特征溫度和更寬的�(diào)制帶寬等�(yōu)�(diǎn)。在�(shí)際制作的量子�(diǎn)激光器的閾值電流密度中,它己經(jīng)�(yuǎn)�(yuǎn)低于傳統(tǒng)激光器以及量子阱激光器。在溫度�(wěn)定性方�, 將量子點(diǎn)置入GaAs/AlGaAs量子阱中,使量子�(diǎn)中載流子的逸出�(shì)壘高度增�,于是大大降低了載流子的逸出幾率,減小了漏電�,使激光器的特征溫度T0�(yuǎn)�(yuǎn)高于量子阱激光器的特征溫�。理想的量子�(diǎn)激光相比量子阱激光器只有�(yuǎn)高于閾值電流密度的情況下才能實(shí)�(xiàn)單模工作,量子點(diǎn)因只有單一電子能級(jí)和空穴能�(jí),很容易�(shí)�(xiàn)單模工作�

  量子�(diǎn)與LED技�(shù)�(jié)�,雖然目前的LED在白光效率上已經(jīng)取得很大的成�,但是跟其他照明技�(shù)相比,純暖白光LED的光輸出仍然不理想。而量子點(diǎn)是晶體結(jié)�(gòu)半導(dǎo)�,�(dāng)受光子刺激的時(shí)候晶體發(fā)�,�(fā)光顏色由晶體尺寸決定,所以在可視光譜里面量子�(diǎn)可以�(chǎn)生任何顏�,�(yùn)用量子點(diǎn)技�(shù)能夠改善LED背光和常�(guī)照明�(yīng)用的光質(zhì)��

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