什么是量子點？
量子點（QDs）是一種納米級（約2-10納米）的半導體材料。由于尺寸較小，量子點表現出量子約束效應以及與尺寸相關的電學和光學特性。自20世紀 80年代發現鎘基QDs以來，人們已經合成并研究了多種鎘基和非鎘基QDs。通過調整QDs的形狀和尺寸，QDs的電學和光學特性得到了顯著改善，并已成為一類重要的材料，其應用范圍從發光二極管（LED）擴展到光伏、光電探測器、激光器和場效應晶體管。本篇技術文章總結了一些新型非鎘基QDs的特性以及QDs的不同應用。
鈣鈦礦量子點
最近發現的通用分子式為 APbX3 [A = Cs、MA（甲胺）、FA（甲脒），X = Cl、Br、I]的鈣鈦礦量子點引起了人們極大的研究興趣。這主要是因為它們具有很高的光致發光量子效率（PLQY，高達95%）和很窄的發射帶寬（FWHM < 20-30 nm）。鈣鈦礦量子點被認為是CdSe基QDs的最佳替代品之一。根據鹵化物的尺寸和成分，CsPbX3 QDS的發射波長可以調整到覆蓋整個可見光譜區（從450納米到700納米）。圖1展示了各種鈣鈦礦量子點在紫外光照射下的顏色。CsPbCl3 QD發出藍光，隨著Cl部分被Br取代，產生混合鹵化物包晶CsPb(Cl/Br)3（圖 2），發射波長轉移到可見光譜的綠色區域。成分為CsPbBr3的QD會發出綠光，CsPb(Br/I)3的發射波長轉向黃色，CsPbI3的發射波長則變為紅色。
在各種包晶型QDs中，CsPbX3（X = Cl、Br）組成的QDs最為穩定，其發射波長在450-510 nm之間，這些QDs具有更強的光學特性和化學穩定性，因此在光電應用中很有前景。這些低鉛含量的無鎘QDs可應用于LED、LCD背光和光電探測器。
圖1. 各種鈣鈦礦量子點在紫外線照射下的顏色。
圖2. 鈣鈦礦量子點CsPbX3（X- Cl和Br）的發射波長
PbS量子點
硫化鉛量子點的發射波長可根據其尺寸（2.5-8納米之間）在900-1600 納米之間調整，這屬于電磁波譜的紅外（IR）波段。通常，硫化鉛量子點具有較寬的吸收光譜范圍和較窄的熒光帶（圖 3）。這些特性使PbS QDs適合用作太陽能電池、光電探測器和紅外線LED中的光吸收器或紅外線（IR）發射器。
量子點具有寬吸收光譜（從近紅外延伸到紅外）、高峰谷比（大于4）、窄帶發射（FWHM < 100 nm）和高PLQY等特性，因此在太陽能光伏應用中特別受關注。這些特性使PbS QDs適合用于串聯和多結太陽能電池，以提高太陽能電池板的效率。
圖3. ~4 nm PbS量子點的吸收和發射波長
量子點的應用
發光二極管 (LEDs)
量子點在LED器件的發光層中具有很好的應用前景。窄幅的發射寬度（由窄幅的半高寬（FWHM）定義）和發射波長的可調諧性使得量子點在尺寸和成分上的簡單變化對LED具有吸引力。此外，通過卷對卷印刷制造具有量子點基LED的光電器件的可能性，以及大多數量子點與輕質、柔性塑料基板的兼容性，為制造低成本、大面積柔性器件開辟了新的應用前景?？梢娏孔狱cLED（Visible quantum dot -based LED）具有色彩純度高、亮度高、功耗低等優點，被認為是繼OLED顯示器之后的新一代顯示技術。
圖4展示了基于量子點的LED器件的原理圖。首先，在以玻璃或高分子材料為基片的氧化銦錫（ITO）上旋轉涂覆空穴傳輸層（HTL），然后用旋涂法制備量子點。對于可見LED，使用鈣鈦礦、CdSe或InP基的量子點，PbS量子點可用于紅外LED。沉積量子點之后是沉積電子傳輸層（ETL）和電極。電極通常用金屬制備，如銀、金或鋁，并通過熱蒸發系統沉積[1-6]。
圖4. 基于量子點的結構草圖
照明
A）液晶顯示（LCD）背光
在傳統的液晶顯示器中，背光源使用的是LED發出的白色光源。然而，在新一代液晶顯示器中，背光系統由藍色發光二極管和量子點濾光片組成。濾光片包含綠色和紅色量子點，可將部分藍光轉換成綠色和紅色。由于紅光、綠光和藍光的FWHM很窄，因此色域很寬，從而使液晶顯示器上的圖像更明亮、對比度更高。此外，這種排列方式還能顯著降低能耗?；赒D的濾光片可以設計成三種配置：“片上”、“邊緣”和“表面”。在“片上”的配置中，綠色和紅色量子點混合放置在LED封裝內藍色芯片的頂部；在“邊緣”配置中，混合物被置于封裝中靠近LED的玻璃導軌內；在“表面”配置中，聚合物薄膜中的混合量子點集成在藍色 LED 和 LCD 矩陣之間（圖 5）[7-11]。鈣鈦礦、基于CdSe和InP的量子點在可見的電磁光譜范圍內發射，可在背光中有著廣泛的應用。
圖5. 量子點液晶背光在“表面”配置的原理圖
B）熒光粉
量子點可以作為熒光粉用于白色照明或園藝照明（圖6）。在這些應用中，最高效、最便宜的藍光LED被用作主光源，與液晶顯示器類似，QD被用作熒光粉，可以將部分藍光轉換成另一種光。照明設備的可能配置有“片內”和“遠程熒光粉”兩種。在“片內”配置中，QDs混合物被置于LED封裝內藍色芯片的頂部，而在“遠程熒光粉”配置中，QDs混合物被置于藍色LED之后的聚合物薄膜中。在白光照明中，混合物由綠色和紅色QDs組成。在白光照明中使用QDs的主要優點是可以獲得較高的顯色指數（CRI）和相關色溫（CCT）。與自然光源相比，這些參數是衡量光源再現各種物體顏色能力的指標。
紅色量子點聚合物復合材料有望用于溫室植物高效生長的園藝LED。植物葉綠素通常最有效地捕獲紅色（600-700納米）和藍色（400-500納米）光波，綠色光波被反射。因此，具有藍色LED和帶有紅色量子點的聚合物復合材料的設備可以向植物提供更多的光合有效輻射，而不會使它們過熱。量子點的使用也能夠有效降低能耗成本。
圖6. QD基礎設備（a）白色照明和（b）園藝照明的卡通示意圖
太陽能電池
PbS量子點在太陽能光伏應用中特別有趣。PbS是一種具有大玻爾激子半徑的半導體材料，可以在廣泛的太陽光譜范圍內實現量子尺寸效應調節。此外，這種材料通過尺寸效應帶隙可調諧性，為單材料的串聯和多結太陽能電池提供了途徑。圖7展示了帶有量子點的太陽能電池裝置的示意圖。PbS量子點可以有不同的帶隙，通常，P型PbS量子點薄膜是通過自旋涂覆在ETL/ITO/玻璃基片層上逐層沉積的，然后沉積由銀或金組成的HTL和上電極，典型的電極沉積是通過加熱或電子束蒸發來實現的[12-16]。
圖7. 量子點太陽能電池結構示意圖
光電探測器
量子點可用于探測紅外和可見光的光電探測器。紅外光探測器在夜視相機、大氣光譜氣體檢測、生物醫學成像、質量控制和產品檢驗等領域均有著廣泛的應用?？梢姽夤怆娞綔y器用于圖像傳感器，用于將入射光轉換為電子信號。量子點還可以用于監控、機器視覺、工業檢測、光譜和熒光生物醫學成像，使用量子點的優點是易于與硅電子器件或柔性有機襯底集成。此外，量子點還可以通過噴墨打印、溶液鑄造和低溫蒸發等簡單方法沉積在襯底的預制電極上。通過量子尺寸效應可調諧的光學吸收和發射光譜是量子點提供的另一個重要優點。圖8描繪了基于量子點的光電探測器的原理圖。典型的制備方法是通過蒸發將電極沉積在玻璃或陶瓷襯底上，然后將膠體量子點或聚合物中的量子點混合物自旋涂覆在襯底上，從而在電極之間形成固體量子點膜或量子點聚合物復合材料[17-18]。PbS量子點可用于紅外光譜的光電探測器，而基于鈣鈦礦、CdSe和InP的量子點則更多的被用于紫外-可見光譜上。
圖8. 量子點光電探測器結構示意圖
生物醫學成像
量子點作為生物醫學成像的發光探針有幾個優點。這些特性包括高的光穩定性、寬的吸收光譜、大的消光系數和可調諧的發射波長。此外，已有研究表明，量子點的表面可以通過修飾使其附著羧基和胺等表面基團，從而與抗體、多糖和多肽等生物分子結合（圖9）。生物偶聯量子點已被用作DNA雜交、受體介導的內吞作用、寄生蟲代謝監測、組織和細胞結構實時可視化以及診斷應用的探針[19-21]。
圖9. 表面功能化量子點的示意圖：（a）羧基功能化（b）氨基功能化（c）抗體連接
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