微信客服
微信公众号
北京时间10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔化学奖授予美国科学家Moungi G.Bawendi、Louis E Brus，俄罗斯科学家Alexei l.Ekimov，以表彰他们在发现和合成“量子点”方面所作出的贡献。
三位获奖者在量子点方面的贡献各有侧重。
其中Bawendi的贡献在量子点的化学制备方面。他革新了量子点的化学生产方法，使得量子点的质量大幅提高，并为其在各种应用中的使用铺平了道路。
而俄罗斯科学家Ekimov早在20世纪80年代初，就成功地在有色玻璃中实现了与大小相关的量子效应。他的实验结果证明了纳米颗粒的尺寸可以通过量子效应来控制材料的性质，为后续的研究和应用奠定了基础。
Brus是首位证明自由浮动纳米颗粒具有与大小相关的量子效应的科学家。他的研究为理解和利用纳米颗粒的量子特性提供了重要的实验证据，并推动了纳米技术的发展。他的工作对于电子学、光学和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
尽管科学家对量子点的研究已经有40多年，但这一奖项来得不算太迟，因为“量子点”这一神奇材料的制造，正在跟21世纪科技大潮结合，与其他新兴技术和新材料结合，使其应用潜力正逐渐被科学家深度挖掘。比如在柔性电子、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信方面，都可做出贡献。量子点作为一股改变未来科技的力量正开始发挥更大作用。
01
人造原子
量子点其实不是点，而是具有独特光学和电子特性的微小半导体粒子。我们知道，物质都是由原子或分子组成，而量子点是由几十个或数千个原子组成，是尺寸一般小于20纳米的半导体颗粒。有时又被称为“人造原子”或“超晶格”。
这种纳米级的颗粒到底有多小呢？对比一下就大概知道了，量子点比人的头发直径还细10000倍（人的头发直径大约为 10 万纳米）。也有人更形象描述它的“小”，一个量子点与一个足球的对比，正如足球与地球的对比。
图说：量子点是一种晶体，通常由几千个原子组成。就大小而言，它与足球的关系就像足球与地球大小的关系一样。
来源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
这些细小的颗粒在化学成分上和较大的晶体颗粒虽然相同，但当物质缩小到纳米尺寸时，就会出现量子现象，它们运作时遵循量子物理规律。这意味着，与较大的粒子不同，量子点能够根据能量的变化（例如光）改变其特性。这是因为在极小的尺度之下，这些微小颗粒中的电子状态发生了变化。
图说：量子点指的是一些非常微小的纳米晶体颗粒
量子点具有许多特性，如具有巨电导，可变化的带隙，可变化的光谱吸收性等。
量子点最突出的一个光学性质在于，在受到激发之后，它们会发出不同颜色的、高质量的单色光。光的具体颜色和纳米小颗粒的尺寸密切相关：尺寸相对较大时，光的颜色会偏红，而随着尺寸缩小，光的颜色会越来越偏蓝。
Brus和Ekimov等科学家将这一尺寸相关的现象描述为量子限域效应（quantum confinement effect）。
尽管理论上已经有所发现，但如何高效制造出质量稳定的量子点，困扰了科学界相当长一段时间。
上世纪80年代初，在苏联科研机构工作的Ekimov在玻璃基质中合成了量子点，并于1981年在学术期刊上发表他的成果。而美国的Brus也在胶体溶液中合成了量子点，并于1983年发表了研究成果。
当时美苏两国处于敌对状态，信息并不相通，只能说两位科学家“英雄所见略同”，他们基于不同的材料体系，都为量子点相关研究打下坚实基础。
到了1993年，美国麻省理工学院的Bawendi在高效合成高质量量子点方面取得进一步突破。Bawendi的团队将能够形成纳米晶体的物质注入一种被加热的特殊溶剂中，并精确控制其中的饱和度，从而生成非常微小的晶体胚。团队再通过对溶剂温度的调整，最终生成了尺寸一致的量子点。
这一方法相比以往更简单高效，让更多科研人员有机会探索量子点的特性和潜在应用。
02
量子点跟钙钛矿结合，有望替代硅晶太阳能
量子点的特性，使其在很多领域有广泛的用途。目前比较普遍的使用是液晶显示领域。LED（发光二极管）背光光源的色彩经过量子点技术的转化，能够在屏幕上实现更好的红、绿、蓝三基色，带来更广的色域，一些厂家已经在此基础上推出QLED电视。
随着元宇宙、虚拟现实、增强现实等技术的发展，未来各类电子设备上大大小小的显示屏也有望在量子点技术的助力下，给人们带来更好体验。
在更专业的层面，量子点稳定的发光特性使其成为很好的荧光标记材料，在生物监测和医学成像方面有良好应用前景，医生有望借助量子点来高效发现患者体内的肿瘤组织。
同时，红外探测成像、光催化、量子光源等领域的应用也获得长足的发展。
这里需要特别介绍的是量子点在太阳能电池方面的应用。量子点在光伏领域的应用，主要是调节光带吸收、光电转换以及载流子运输，从而提高光伏电池的效率。在当前的TOPCON电池以及钙钛矿电池都有应用，现在算是光伏一种常用技术手段。
太阳能的主要挑战之一是传统太阳能电池的转化效率有限。这是由材料性质决定，太阳发出从紫外线到红外线等不同颜色的光，但晶硅太阳能电池只能吸收太阳光谱中的一小部分，导致其最大理论转化效率约为 33%。这又被称为 Shockley-Queisser 极限。
转化效率，一直是提高太阳能电池性能的长期障碍。现在量子点有可能克服这一限制，并显著提高太阳能转换效率。
量子点的独特性质，源于它们的小尺寸和量子限制效应。这种效应导致在量子点中，电子的能级变得离散，而不是像块状材料中那样连续。因此，量子点可以被设计成具有对应于不同波长的光的特定能级。这种可调性使它们能够吸收比传统太阳能电池更广泛的太阳光谱，从而有可能将其效率大大提高到Shockley-Queisser 极限以上。
量子点的巨电导，可变化的带隙，可变化的光谱吸收性等特性，使得量子点太阳能电池可大大提高光电转化率，与目前的多晶硅太阳能电池相比，生产能耗可减少20%，光电效率可增加50%至1倍以上，并降低昂贵的材料费用。
比如量子点增强TOPCon电池，该电池是在量子点增强硅基底上制备的topcon电池，可以提高电池的光电转换效率和量子效率。量子点增强TOPCon电池的效率可达到26.7%以上。
再比如，量子点跟钙钛矿相结合，有望替代传统硅晶太阳能。
钙钛矿是一种具有独特晶体结构的材料，使其能够高效吸收光、并将其转化为电能。通过将钙钛矿材料与量子点相结合，研究人员已经能够制造出比单独使用量子点效率更高的太阳能电池。
这些混合钙钛矿-量子点太阳能电池，有可能在未来的若干年内，通过更高的效率、更低的成本，实现对传统晶硅太阳能电池的替代，并彻底改变太阳能行业。
除了具有提高太阳能电池转化效率的巨大潜力外，量子点还能够为太阳能收集提供其它方面的优势。比如，它们的小尺寸和可调特性，使它们非常适合用于灵活轻便的太阳能电池板。这些太阳能电池板可以很容易地集成到从可穿戴电子产品、到建筑一体化光伏的广泛应用之中。
此外，量子点在生产方面，可以使用低成本和可扩展的基于溶液的方法进行合成，从而使其成为可供大规模生产太阳能电池的有吸引力的选择。
来源：全球数据专利分析
0 条