量子點(diǎn)( QD ) 或半導(dǎo)體納米晶體是尺寸為幾納米的半導(dǎo)體粒子，其光學(xué)和電子特性通過量子力學(xué)效應(yīng)與較大粒子的特性不同。當(dāng)量子點(diǎn)被紫外線照射時，量子點(diǎn)中的電子可以被激發(fā)到更高能量的狀態(tài)。對于半導(dǎo)體量子點(diǎn)而言，該過程對應(yīng)于電子從價帶到導(dǎo)帶的躍遷。激發(fā)的電子可以落回價帶，將其能量釋放為光。當(dāng)量子點(diǎn)中的能帶結(jié)構(gòu)不再明確時，光的顏色取決于導(dǎo)帶和價帶之間的能量差，或者取決于離散能態(tài)之間的躍遷。

       用紫外線照射的膠體量子點(diǎn)，由于量子限制，不同大小的量子點(diǎn)會發(fā)出不同顏色的光。

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       本文通過以下幾點(diǎn)介紹麥克林量子點(diǎn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)試劑的產(chǎn)品特性及應(yīng)用：

        1. 光學(xué)特性

        2. 合成與制備

        3. 半導(dǎo)體中的量子限制

        4. 麥克林量子點(diǎn)試劑介紹

光學(xué)特性

       量子點(diǎn)的光學(xué)特性主要為帶隙可調(diào)性。當(dāng)電子被激發(fā)到導(dǎo)帶時，它會在價帶中留下一個空位，稱為空穴。這兩個相反的電荷通過庫侖相互作用結(jié)合在一起，形成所謂的激子，它們的空間分離由激子玻爾半徑定義。在與激子玻爾半徑尺寸相當(dāng)?shù)募{米結(jié)構(gòu)中，激子在物理上被限制在半導(dǎo)體內(nèi)，從而導(dǎo)致材料的帶隙增加?？梢允褂?Brus 模型預(yù)測這種依賴性。

       上圖是激子實(shí)體中激發(fā)電子和空穴以及相應(yīng)能級的簡化表示。所涉及的總能量可以看作是帶隙能量、激子中庫侖引力所涉及的能量以及激發(fā)電子和空穴的限制能的總和。

       由于限制能取決于量子點(diǎn)的尺寸，因此可以通過在合成過程中改變量子點(diǎn)的尺寸來調(diào)整吸收開始和熒光發(fā)射。點(diǎn)越大，其吸收開始和熒光光譜越紅（能量越低）。相反，較小的點(diǎn)吸收和發(fā)射藍(lán)（能量越高）的光。

合成與制備

       合成量子點(diǎn)的方法有很多種。主要方法包括膠體合成、等離子合成、病毒組裝和電化學(xué)組裝等。

      膠體合成

       膠體半導(dǎo)體納米晶體由溶液合成，與傳統(tǒng)化學(xué)過程非常相似。主要區(qū)別在于產(chǎn)品既不會以塊狀固體形式沉淀，也不會保持溶解狀態(tài)。在高溫下加熱溶液，前體分解形成單體，然后單體成核并產(chǎn)生納米晶體。溫度是確定納米晶體生長最佳條件的關(guān)鍵因素。溫度必須足夠高，以便在合成過程中允許原子重新排列和退火，同時又要足夠低以促進(jìn)晶體生長。單體濃度是納米晶體生長過程中必須嚴(yán)格控制的另一個關(guān)鍵因素。納米晶體的生長過程可以發(fā)生在兩種不同的狀態(tài)下：“聚焦”和“散焦”。在高單體濃度下，臨界尺寸（納米晶體既不生長也不收縮的尺寸）相對較小，導(dǎo)致幾乎所有粒子都會生長。在這種情況下，較小的粒子比大粒子生長得更快（因?yàn)檩^大的晶體比小晶體需要更多的原子來生長），導(dǎo)致尺寸分布集中，產(chǎn)生幾乎單分散的粒子的不可能分布。當(dāng)單體濃度保持為平均納米晶體尺寸始終略大于臨界尺寸時，尺寸集中是最佳的。隨著時間的推移，單體濃度降低，臨界尺寸變得大于平均尺寸，分布變得不集中。

高溫膠體合成技術(shù)的示意圖

      等離子合成

       等離子體合成已發(fā)展成為生產(chǎn)量子點(diǎn)（尤其是具有共價鍵的量子點(diǎn)）最流行的氣相方法之一。例如利用非熱等離子體合成了硅和鍺量子點(diǎn)。 在非熱等離子體中，量子點(diǎn)的尺寸、形狀、表面和成分都可以控制。對于量子點(diǎn)來說，似乎頗具挑戰(zhàn)性的摻雜也已在等離子體合成中實(shí)現(xiàn)。等離子體合成的量子點(diǎn)通常為粉末形式，可以對其進(jìn)行表面改性。 這可以使量子點(diǎn)在有機(jī)溶劑或水中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的分散。

混合核/殼納米粒子的微波等離子體合成設(shè)置方案

半導(dǎo)體中的量子限制

       量子點(diǎn)中單個粒子的能級可以用盒子模型來預(yù)測，其中狀態(tài)的能量取決于盒子的長度。對于量子點(diǎn)內(nèi)的激子，帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴之間也存在庫侖相互作用。通過比較量子點(diǎn)的大小和激子玻爾半徑，可以定義三種狀態(tài)： 

       （1）在“強(qiáng)限制狀態(tài)”下，量子點(diǎn)的半徑比激子玻爾半徑小得多，限制能大于庫侖相互作用。

       （2）在“弱限制”狀態(tài)下，量子點(diǎn)大于激子玻爾半徑，限制能小于電子和空穴之間的庫侖相互作用。

       （3）激子玻爾半徑和限制勢相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)稱為“中等限制狀態(tài)”。

      帶隙能量

       在強(qiáng)限制區(qū)，能級分裂后，帶隙會變得更小。激子玻爾半徑可表示為：

       其中aB  = 0.053 nm 是玻爾半徑，m是質(zhì)量，μ是約化質(zhì)量，ε r是尺寸相關(guān)的介電常數(shù)（相對介電常數(shù)）。這導(dǎo)致總發(fā)射能量增加（強(qiáng)限制狀態(tài)下較小帶隙中的能級總和大于弱限制狀態(tài)下原始能級帶隙中的能級），并且各個波長的發(fā)射增加。如果 QD 的尺寸分布不夠尖銳，則多個發(fā)射波長的卷積會以連續(xù)光譜的形式被觀察到。

      約束能量

       激子實(shí)體可以用盒子中的粒子來建模。電子和空穴可以看作玻爾模型中的氫，其中氫原子核被帶正電荷和負(fù)電子質(zhì)量的空穴所取代。然后，激子的能級可以表示為基態(tài)（ n = 1）盒子中粒子的解， 其中質(zhì)量被約化質(zhì)量所取代。因此，通過改變量子點(diǎn)的尺寸，可以控制激子的限制能。

麥克林量子點(diǎn)試劑介紹

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       1. 結(jié)構(gòu)新穎、品種繁多

       2. 純度等級高

       3. 生產(chǎn)工藝先進(jìn)

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【量子點(diǎn)試劑專題頁】

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