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康振輝劉陽毛寶東 著

圖書標籤:

• 量子點
• 半導體
• 納米材料
• 光電材料
• 生物成像
• 太陽能電池
• 顯示技術
• 傳感器
• 發光材料
• 材料科學

店鋪： 榮豐通達圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030573001

商品編碼：29457195486

包裝：圓脊精裝

開本：16

齣版時間：2018-06-01

頁數：255

字數：322000

量子點的與應用
	曾用價	98.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2018年06月
	開本	16
	作者	康振輝,劉陽,毛寶東
	裝幀	圓脊精裝
	頁數	255
	字數	322000
	ISBN編碼	9787030573001

內容介紹
　　本書為“低維材料與器件叢書”之一。全書主要介紹量子點類材料的概念、、主要性質及其應用，除瞭針對經典半導體材料類的量子點進行介紹外，還對近年來發展的非經典半導體類量子點進行瞭介紹。在量子點的應用方麵，不僅介紹瞭經典的發光，生物成像、檢測、太陽能器件、光電器件等應用，而且針對近年來開展的量子點材料的催化特性進行瞭詳細的介紹。此外，在內容上本書在新型量子點材料的研究進展，新型量子點材料的、性質及應用方麵進行瞭比較詳盡的討論。對*近研究成果的舉例討論，是本書的一大特色。 目錄
目錄
總序
前言
第1章 量子點簡介 1
1.1 曆史沿革 1
1.2 量子點的定義與分類 2
1.3 量子點的結構與性質 3
1.4 新型量子點簡介 4
參考文獻 5
第2章 量子點的製備 7
2.1 量子點的製備方法簡介 7
2.2 量子點的物理化學原理 8
2.2.1 成核和生長模型 8
2.2.2 晶核的錶徵 9
2.2.3 配體的作用 10
2.2.4 錶麵態 10
2.2.5 量子點的純化 11
2.3 量子點的技術 12
2.3.1 經典熱注入法示例 12
2.3.2 Ⅱ-Ⅵ族量子點 14
2.3.3 Ⅲ-Ⅴ族半導體量子點 20
2.3.4 Ⅳ族元素及新型二維材料量子點 21
2.4 量子點的化學機理 22
2.4.1 前驅體的製備 22
2.4.2 絡閤過渡態 23
2.4.3 金屬的還原 24
2.4.4 前驅體活性 25
2.4.5 膦、胺配體 25
參考文獻 26
第3章 量子點的結構調控 35
3.1 量子點的錶麵 35
3.1.1 量子點錶麵及錶徵 35
3.1.2 晶核-配體界麵的結構 37
3.1.3 配體交換反應 38
3.1.4 錶麵配體與量子點電子結構 40
3.1.5 錶麵配體設計 43
3.2 量子點的摻雜及閤金化 46
3.2.1 量子點的摻雜 46
3.2.2 量子點的閤金化 48
3.3 量子點異質結構 49
3.3.1 Ⅰ型異質結 50
3.3.2 Ⅱ型異質結 51
3.3.3 準Ⅱ型異質結 51
3.3.4 核/殼界麵：應力與閤金化 51
參考文獻 52
第4章 量子點的組裝 58
4.1 量子點超晶格結構的與錶徵 58
4.1.1 組裝方法簡介 58
4.1.2 超晶格的錶徵 63
4.1.3 組裝體中量子點間相互作用 65
4.1.4 硬、軟顆粒：量子點組裝的兩個極端模型 67
4.2 不同形狀納米晶的自組裝 68
4.2.1 準球形量子點 69
4.2.2 棒狀和盤狀納米晶 69
4.2.3 片狀納米晶 71
4.2.4 多麵體量子點 71
4.2.5 支化結構和多組分異質結納米晶 73
4.2.6 不同類型球形量子點混閤物 74
4.3 量子點超晶格的缺陷 76
4.4 量子點錶麵化學過程驅動的自組裝 79
4.4.1 初始烴鏈配體的部分脫附 79
4.4.2 聚閤物錶麵配體 80
4.4.3 帶電的錶麵配體 82
4.4.4 基於DNA的錶麵配體 83
4.4.5 分子開關型錶麵配體 85
4.5 環境在導引量子點自組裝中的作用 86
4.5.1 在平整錶麵的自組裝 86
4.5.2 彎麯錶麵輔助的自組裝 86
4.5.3 結構導嚮介質中的自組裝 88
參考文獻 90
第5章 量子點的光學性質 100
5.1 量子點的電子結構簡介 100
5.2 量子點的基本光學性質 101
5.2.1 吸收光譜 102
5.2.2 光緻發光光譜 104
5.2.3 量子點自身尺寸和錶麵的影響 106
5.2.4 摻雜與閤金化量子點 107
5.2.5 復閤結構半導體量子點 110
5.2.6 重摻雜半導體量子點的等離子體共振 115
5.3 量子點的超快光譜動力學 117
5.3.1 激子動力學 118
5.3.2 非綫性激子動力學 120
5.3.3 量子點異質結激子動力學 121
參考文獻 123
第6章 量子點的電學與電化學性質 131
6.1 量子點的電學性質簡介 131
6.1.1 光誘導電子轉移 131
6.1.2 量子點膜中的電荷傳輸 133
6.2 量子點的電化學性質 136
6.2.1 量子點研究的電化學技術 138
6.2.2 量子點的電化學伏安特性 139
6.2.3 量子點的光譜電化學測量 142
6.2.4 量子點的電化學發光 144
參考文獻 152
第7章 量子點器件 160
7.1 量子點器件簡介 160
7.2 量子點光伏器件 163
7.2.1 量子點敏化太陽能電池 164
7.2.2 量子點薄膜太陽能電池 167
7.2.3 量子點太陽能電池的光學工程 169
7.2.4 多結量子點太陽能電池與熱載流子效應 170
7.3 量子點場效應晶體管 171
7.4 量子點光電探測器件 173
7.4.1 光電導型探測器 173
7.4.2 光電二極管型探測器 175
7.5 量子點電緻發光器件 176
7.5.1 量子點電緻發光器件簡介 176
7.5.2 器件性能限製因素的光譜理解 181
7.6 其他量子點光學器件 184
參考文獻 185
第8章 量子點的催化性質 195
8.1 量子點異質結光催化劑 195
8.2 量子點光催化劑的超快光譜動力學 198
8.3 量子點/助催化劑界麵優化 200
8.4 金屬等離子體效應的利用 201
8.5 碳量子點的催化特性 203
參考文獻 206
第9章 量子點的生物成像應用 213
9.1 超分辨顯微成像與單粒子追蹤 214
9.2 體外成像 216
9.3 組織成像 217
9.4 體內成像 219
9.5 生物與環境安全性 223
9.5.1 體外研究 224
9.5.2 體內研究 225
參考文獻 226
第10章 量子點的傳感檢測應用 234
10.1 量子點熒光傳感器 234
10.1.1 量子點錶麵偶聯 234
10.1.2 熒光探針檢測機理 236
10.1.3 熒光傳感器研究進展 257
10.2 量子點電化學傳感器 239
10.2.1 電化學發光傳感器 239
10.2.2 電化學免疫傳感器 241
10.3 碳、矽量子點檢測簡介 242
參考文獻 243
第11章 挑戰和展望 248
關鍵詞索引 251 在綫試讀
第1章 量子點簡介
　　1.1 曆史沿革
　　在針對量子點（quantum dot， QD）的討論開始之前，我們嘗試給齣一些簡要的介紹。簡單來講，量子點是把導帶電子、價帶空穴及激子（電子-空穴對）在三個空間維度上束縛住的半導體納米結構（關於導帶、價帶、激子等基本概念，讀者可以在本係列叢書中的其他分冊查看更為詳盡的介紹）。在量子點中，載流子運動在三維空間都受到瞭限製，因此有時量子點也被稱為“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子點原子”[1，2]，它是20世紀80～90年代較為明確提齣來的一個概念。
　　現代量子點技術可以追溯到20世紀70年代，是為瞭解決能源危機而發展起來的。初期研究始於20世紀80年代早期兩個實驗室的科學傢：美國貝爾實驗室的Louis Brus 和蘇聯Yoffe 研究所的Alexander Efros。Brus 與同事發現不同大小的CdS 顆粒可産生不同的顔色，並據此提齣瞭“量子限域效應”理論[3]，隨後有關CdS 膠體量子點發光特性及機理的研究逐漸在上成為熱門課題。這個工作對瞭解量子限域效應很有幫助，不僅解釋瞭量子點大小和顔色之間的相互關係，同時也為量子點的應用鋪平瞭道路。
　　量子點的粒徑一般為1～10 nm，由於電子和空穴被量子限域，連續的能帶結構變為具有分子特性的分立能級結構，受激後可以發射熒光。經過30 多年的發展，從*開始的單一結構發展到現在的不同組分、不同結構等復雜體係量子點[4]，其中起到關鍵作用的還是化學方法的不斷發展優化及對量子點生長機理的深入理解[5-9]，因此到目前為止，在該領域還是化學傢和材料學傢起主導作用。自從1993年有機熱注入法發展以來[5]，隨著量子點製備技術的不斷提高和成熟，量子點已越來越可能應用於生物學和電子器件研究[10-13]。1998年，Alivisatos 和Nie兩個研究小組分彆在Science 上發錶有關量子點作為生物探針的論文[14，15]，將量子點作為熒光標記物，並應用於活細胞體係。他們解決瞭如何將量子點溶於水溶液及量子點如何通過錶麵活性基團與生物大分子偶聯的問題，由此掀起瞭量子點生物醫學應用的研究熱潮。基於量子點的多種物理效應（如量子尺寸效應、錶麵效應、介電限域效應、量子隧穿效應、庫侖阻塞效應等），量子點在太陽能轉換、發光和顯示器件、光電探測、催化、分子和細胞標記及超靈敏檢測等領域有許多潛在的應用[16-19]。科學傢還預期量子點在納米電子學上有極大的應用潛力，甚至部分量子點産品已開始推嚮市場，如量子點電視等[20]。
　　考慮到量子點和廣義上納米晶研究的相關性，我們希望討論的視角不再局限於狹義的量子點本身，力圖擴展到相應的更廣泛的膠體納米晶領域。因此，在本書中，將從更為寬泛的視角來迴顧量子點領域的研究曆史與進展。
　　1.2 量子點的定義與分類
　　量子點是準零維的納米材料，也是一類由少量原子組成的半導體納米粒子，其粒徑小於或接近相應半導體材料的激子玻爾半徑[3，21]。量子點的三個維度尺寸均在納米量級，其內部電子在各方嚮上的運動都受到局限，量子限域效應顯著。由於電子和空穴的運動被限製，連續的能帶結構變為具有分子特性的分立能級結構，帶隙隨尺寸的減小而，受激後可以發射熒光[22，23]。
　　量子點一般為球形或類球形，通常由Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族半導體製成。常見的量子點材料主要包括硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、碲化鎘（CdTe）、硫化鋅（ZnS）等Ⅱ-Ⅵ族半導體量子點，硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）等Ⅳ-Ⅵ族半導體量子點，以及磷化銦（InP）、砷化銦（InAs）等Ⅲ-Ⅴ族半導體量子點。近年來，不含鎘或鉛等重金屬元素的半導體量子點吸引瞭越來越多的研究投入，如Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族量子點[9]。*近關於Ⅳ族（碳、矽）量子點和鉛鹵鈣鈦礦（perovskite）量子點的研究也是一大熱點[24]。量子點是在納米尺度上的原子和分子的集閤體，既可由一種半導體材料組成，如上述Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族化閤物半導體，也可以由兩種或兩種以上的半導體材料組成核殼或異質結量子點[10]。
　　量子點按幾何形狀，可分為球形量子點、四麵體量子點、柱形量子點、立方體量子點、盤形量子點等類型[4]；按材料組成，量子點又可分為元素半導體量子點、化閤物半導體量子點和異質結量子點；其中異質結量子點按其電子與空穴的量子封閉作用，可分為Ⅰ型量子點和Ⅱ型量子點。此外，原子及分子團簇、超微粒子、小尺寸的碳納米粒子和多孔矽等從性質考慮也可以歸屬於量子點結構範疇[25]。
　　1.3 量子點的結構與性質
　　量子點可以被認為是小分子和大晶體之間的橋梁，顯示齣類似於孤立原子和分子的離散的電子躍遷態，也具有結晶材料的性能[3，21，26，27]。量子點作為微小的半導體晶體，往往錶現齣尺寸依賴的電子性能，展現齣許多不同於宏觀體相材料的物理化學性質。調整量子點尺寸是調整帶隙能量的主要方法，量子點性質的尺寸依賴特性主要是由納米晶的內部結構決定的。隨著晶體變小，錶麵上的原子數目增加，錶麵上的原子不完全結閤在晶體晶格內，因此會破壞結晶周期性並留下一個或多個“懸空軌道”。如果這些錶麵能態在半導體帶隙內，它們可以在錶麵形成載流子捕獲中心，從而增加非輻射衰減概率。量子點的熔點隨著尺寸減小而降低，不同晶相之間的錶麵能差異也被用於解釋高比錶麵積的量子點中應力誘導的相變性質的改變。量子點獨特的性質源於它自身的量子效應，當顆粒尺寸進入納米量級時，將引起量子限域效應、宏觀量子隧穿效應和錶麵效應等，從而派生齣納米體係所具有的與宏觀和微觀體係不同的特性[1，2]。下麵簡要介紹量子點的這些獨特“效應”。
　　（1）量子限域效應。量子限域效應是指當粒子尺寸下降到某一數值時，費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級及帶隙變寬的現象。通過控製量子點的形狀、結構和尺寸，就可以方便地調節其帶隙寬度、激子束縛能的大小及激子的能量藍移等。隨著量子點尺寸的逐漸減小，量子點的吸收和發射光譜齣現藍移現象，尺寸越小，光譜藍移現象也越顯著。量子限域效應*重要的結果是半導體量子點帶隙的尺寸依賴性，通過限製半導體的激子，帶隙可以根據維度和尺寸調節到的能量。形貌上各嚮異性的半導體納米晶在各個方嚮上具有不同的量子限域效應，可將帶隙變化分彆在三維（量子點）、二維（納米片）或一維（納米棒）進行限製。
　　（2）錶麵效應。錶麵效應是指隨著量子點粒徑的減小，大部分原子位於量子點的錶麵，量子點的比錶麵積隨粒徑減小而。納米顆粒大的比錶麵積、錶麵原子數增多，導緻錶麵原子的配位不足、不飽和鍵及懸鍵增多，使這些錶麵原子具有高的活性，不穩定，很容易與其他原子或分子結閤。錶麵原子的活性變化不但引起納米粒子錶麵原子構型的變化，同時也導緻錶麵電子自鏇構象和電子能譜的變化。錶麵缺陷導緻電子或空穴的捕獲態，它們反過來會影響量子點的吸收和發光性質，引起非綫性光學效應。
　　（3）介電限域效應。介電限域效應是納米微粒分散在異質介質中由於界麵引起的體係介電增強的現象，主要來源於微粒錶麵和內部局域場的增強。當介質的摺射率與微粒的摺射率相差很大時，就産生瞭摺射率邊界，導緻微粒錶麵和內部的場強比入射場強明顯增加，這種局域場強的增強稱為介電限域效應。一般來說，過渡金屬氧化物和半導體量子點都可能産生介電限域效應，介電限域對光吸收、光化學等性質都有重要影響。
　　（4）量子隧穿效應。電子在納米尺度空間中運動，載流子的輸運過程呈現明顯的電子波動性，齣現量子隧穿效應。器件中要實現量子隧穿效應，要求在微小區域內形成納米導電域，電子被“鎖”在納米導電域內，在納米空間中顯現齣的波動性也就産生瞭量子限域效應。納米導電域之間形成薄薄的量子勢壘，當電壓很低時，電子被限製在納米尺度範圍運動，升高電壓可以使電子越過納米勢壘形成自由電子費米海，使體係變為導電。這種絕緣到導電的臨界效應也是納米有序陣列體係的特點之一。
　　（5）庫侖阻塞效應。當一個量子點與周圍外界之間的電容足夠小的時候，隻要有一個電子進入量子點（也稱為孤立的庫侖島），增加的靜電能就會遠大於電子熱運動能力，這個靜電能將阻止隨後的第二個電子進入同一個量子點，這就是庫侖阻塞效應。利用庫侖阻塞效應就有可能使電子逐個隧穿進齣庫侖島，實現單電子隧穿過程。
　　需要指齣的是，除瞭尺寸調控外，大量設計量子點結構的新方法如核-殼結構、閤金化、摻雜、梯度組分調控、應力調諧和帶邊翹麯等將可能在進一步發展這些粒子用於光電子和生物醫學領域中起到關鍵作用[28-30]。深入理解量子點的結構，對於其帶隙調控和電子波函數工程具有決定性意義。
　　1.4 新型量子點簡介
　　通常來講，傳統的量子點主要包括鎘基Ⅱ-Ⅵ族和鉛基Ⅳ-Ⅵ族量子點，它們具有強吸收、尺寸依賴的光緻發光、高量子産率和高的穩定性，在太陽能電池、光電子器件和生物熒光標記等領域錶現齣巨大的應用潛力。然而，傳統量子點含有重金屬元素，如對生物有毒的鎘、鉛等元素。它們的環境和生物安全性阻礙瞭其發展，尤其是與醫學和環境相關的應用。環境友好的Ⅲ-Ⅴ族、Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族和Ⅳ族半導體量子點逐漸引起人們的注意[31]。其中Ⅳ族碳和矽元素在地球上儲量豐富，生物相容性良好，並且廣泛應用於微電子工業。類似地，在過去的十幾年裏，碳及其他二維材料（包括石墨烯、六方氮化硼、過渡金屬硫化物等）量子點也逐漸引起人們的注意[32，33]。這些二維材料轉變為零維時（如橫嚮尺寸小於20 nm），由於邊緣和量子限域效應，齣現瞭一些新性質；同時，它們仍保留瞭二維材料本身固有的一些優點。總體來說，碳、矽及二維材料的量子點研究還處於初始階段。值得一提的是，量子效應概念的使用需謹慎，新型量子點體係中所觀察到的光譜移動並不一定代錶尺寸依賴的量子限域效應。這裏我們僅藉用“量子點”的概念來開展討論。
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