量子点

图1 来源：诺贝尔奖委员会官网。北京时间10月4日17时45分，有着“理科综合奖”之称的诺贝尔化学奖揭晓。瑞典皇家科学院决定将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 ，以表彰他们对量子点的发现和研究。该奖项的授予充分表明了量子点技术在科学领域中的又一重要突破。 01量子点是一种纳米级半导体发光材料，通过施加一定的电场或光压，这些纳米半导体就会发出特定频率的光，而发出光的频率会随着半导体的尺寸的改变而变化。因此，我们通过控制它们的尺寸和形状，就可以控制其发出的光的颜色（如图2），从而获得独特的光学和电子特性（如图2）。 图2 量子点荧光随尺寸的变化示例。 由于量子点丰富的物理化学性质，吸引了很多学者投身其中，目前已经形成了很多重要的前沿技术。除了我们熟知的已经商业化的量子点液晶显示以外，量子点还可以用于未来显示、光伏发电、高性能激光光源应用、单光子光源应用以及作为荧光探针用于生物成像等。 02 作为一种独特的纳米材料，在量子点的研究中，首先会关注其光谱特征和量子产率；在一些情况下，电致发光效率和荧光寿命也是需要被测量的参数。 #宽广的光谱测量 在生物荧光探针等应用的量子点研究中，不仅需要测量可见光区的光谱，还可能需要测量近红外红外光的光谱。 图3 从可见到近红外连续光谱测量的双探测器方案。为了契合这样的需要，滨松Quantaurus-QY plus中不仅配备了高灵敏度高信噪比背照式CCD探测器（探测范围从紫外至约1100nm的近红外，如图3上左），而且配备了专门用于近红外波段的InGaAs探测器（从850nm至1650nm，如图3上右）。作为在光电行业深耕细作几十年，光探测器产品线非常宽广的技术型公司，滨松在Quantaurus系列产品中均选用了自产的探测器。并基于对探测器的深刻理解与定制，开发出了特有的“光谱无缝缝合”技术，使得通过可见光探测器和近红外探测器所得到的光谱能够衔接在一起（如图3），从而使用户可以在350-1650nm的范围内，横跨可见及近红外区域得到完整且精准的光谱和真实的量子产率数值。(如图4） 图4 文献案例：横跨可见到红外的光谱测量。500nm左右的峰为吸收光谱，1300nm左右的峰为发射光谱。(N. Hasebe, et al. Anal. Chem.&ensp 87&ensp (2015), 2360)。 #精准的量子产率测量滨松量子产率测试仪对上至100%，下至1%以下的量子产率都具有非常准确的测量能力（如图5）。 图5 滨松量子效率分析仪对一些标准样品的测试值与文献值的对比(K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 9850)。 为了得到精确的结果，除了在硬件方面精益求精，滨松也一直在研究量子产率测量中的各种误差来源。比如对于许多量子点，激发光谱和发射光谱会有所重叠（如图6）；这意味着量子点发出的荧光有可能被自身再次吸收——这种自吸收（reabsorption)现象会导致量子产率的测量值低于真实值，而且越浓的溶液低估得越厉害（如图7）。图6 几种量子点的吸收及发射光谱。实线为吸收光谱，多点连线为发射光谱；蓝绿黑红对应着量子点尺寸从小到大。(U. Resch-Genger, et al. Nat. Methods 5 (2008), 763)。 针对这种低估量子产率的可能，滨松运用了对应的自动测量流程及算法（K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys.&ensp 11&ensp (2009), 9850）保证得到最为准确的量子产率读数（如图7）。 图7 自吸收（Reabsorption)校正结果示例(K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 9850)。#滨松量子产率测量仪Quantaurus-QY plus

据美国物理学家组织网12月16日(北京时间)报道，美国国家可再生能源实验室(NREL)研制出一种新式的量子点太阳能电池，当其被太阳能光谱的高能区域发出的光子激活时，会产生外量子效率最高达114%的感光电流。发表于12月16日出版的《科学》杂志上的这一最新研究为科学家们研制出第三代太阳能电池奠定了基础。　　当光子入射到太阳能电池表面时，部分光子会激发光敏材料产生电子空穴对，形成感光电流，此时产生的电子数与入射光子数之比称为感光电流的外量子效率。迄今为止，还没有任何一种太阳能电池在太阳能光谱内光波的照射下，显示出超过100%的外量子效率。　　现在，NREL团队首次在量子点太阳能电池上实现了这一点。他们在一个叠层量子点太阳能电池上获得了114%的外量子效率。该电池由具有减反光涂层的玻璃(其包含有一薄层透明的导体)、一层纳米结构的氧化锌、一层经过处理的硒化铅量子点以及薄薄一层用作电极的金组成。　　太阳能光子产生超过100%外量子效率基于载子倍增(MEG)过程，借助这一过程，单个被吸收的高能光子能激发多个电子空穴对。NREL团队首次在量子点太阳能电池的感光电流内展示了MEG，科学家们可借此改善太阳能电池的转化效率。研究结果显示，在模拟太阳光的照射下，新量子点太阳能电池的光电转化效率高于4.5%。目前，这种太阳能电池还没有达到最优化，因此，其能源转化效率相对来说偏低。　　与传统的太阳能电池相比，量子点太阳能电池内的MEG能将电池的理论热力能转化效率提高35% 量子点太阳能电池也可使用廉价且产量高的卷对卷制程制造而成 其另外一个优势是每单位面积的制造成本很低，科学家们将其称为第三代(下一代)太阳能电池。(记者 刘霞)　　所谓第一代太阳能电池是指目前最常见的晶体硅电池，第二代是薄膜电池 第三代，则应该是具有更高转化效率的新型电池的总称。而让单个高能光子激发多个电子空穴对正是提高转化效率的途径之一。不过现有技术并不能有效分离、收集大量的电子空穴对，这也就是新电池转化效率偏低的主要原因。虽然现在看起来，让这么多自由电子白白溜走显得过于奢侈，但如此高的外量子效率还是让我们备受鼓舞——一旦突破电子空穴对收集的技术瓶颈，太阳能电池的发展将会翻开全新一页!

化学家们日前的一项成就，为制造更高性能的光谱仪铺平了道路，而这种光谱仪将比手机照相机镜头的图像传感器还要微型。1日出版的英国《自然》杂志上的一篇论文，详细描述了一种微型量子点光谱仪，其未来应用包括太空探索、个性化医疗、微流控芯片实验室诊断平台等。　　光谱仪作为一种分析仪器，几乎在每个科学领域都会用到，尤其在物理、化学和生物学研究中必不可少。这类设备通常体积过大以致于难以移动。科学家长期致力于让光谱仪小型化、成本低廉且易于使用，以便增加它们的使用范围。但一直以来，相关努力都不是很成功。　　据美国麻省理工学院官方网站消息，此次，前麻省理工学院博士后、中国清华大学的鲍捷以及麻省理工学院化学教授莫吉· 巴旺迪提出，现有微型光谱仪的设计局限可以用胶体量子点克服，量子点是高度可调控的、微型的并且对光敏感的半导体晶体，使用量子点可以在减小光谱仪体积的同时不影响它的分辨率、使用范围和效率。　　研究人员展示了一个用195个不同的量子点做成的光谱仪，其每一个量子点都对特定光谱范围敏感，可以过滤各种波长的光并检测到非常小的光谱移位。美国加州大学伯克利分校物理学副教授王锋(音)认为，这个堪称&ldquo 美丽&rdquo 的方式，利用半导体量子点微型光谱仪来控制光吸收，该设备体积之小、性能之高，在以前还从未实现过。　　论文作者们表示，这一系统兼具了高性能和简洁性，容易制造并有进一步小型化的可能，所以将会在很大程度上有利于那些需要缩小尺寸、重量、成本和复杂性的应用。其与小型设备结合后，可用于诊断皮肤状况或分析尿液样本，甚至用于追踪生命体征诸如脉搏和血氧水平等。与此同时，这一研究也代表了量子点的新应用，这种纳米结构材料现主要适用于标记细胞和生物分子，在计算机及电视显示屏领域也大有用武之地。　　总编辑圈点　　量子点这种发现于上世纪80年代的纳米晶体，吸收性能众所周知并且非常稳定。现在利用量子点固有的性质打造出新型光谱仪的优点，甚至足够小到可以在智能手机中运行，使得一个以往笨重的实验设备轻松走入日常生活。受益的，不仅仅是科学家们研究原子能量水平、分析生物组织样品，更多的行业都可随时利用光谱仪，譬如检测环境污染、判断食品安全等等。

近日，中科院大连化学物理研究所研究员吴凯丰团队等在胶体量子点超快光物理研究中取得新进展。团队观测到CsPbI3钙钛矿量子点中激子精细结构裂分导致的系综量子拍频，并提出了一种通过温度诱导晶格畸变进而调控裂分能的新机制。相关成果发表于《自然—材料》。在半导体量子点中，形貌或晶格对称破缺导致的电子—空穴各向异性交换作用使激子能级发生精细结构裂分（FSS）。FSS亮激子态可用于量子态相干操控或偏振纠缠光子对发射，观测和调控FSS对这些应用至关重要。由于FSS能量对量子点的尺寸、形貌非常敏感，通常需要在液氦温度下测定单个或少数量子点的发射谱来测定FSS。因此，在系综水平观测FSS极具挑战，尤其是定量调控FSS尚未有报道。本工作中，研究团队利用圆偏振飞秒瞬态吸收光谱（即瞬态圆二色谱），在液氮到室温区间测定了溶液合成、成本低廉的CsPbI3钙钛矿量子点系综的亮激子FSS。研究发现，FSS能量可通过量子点尺寸进行调控，在液氮温度下最高可达1.6meV。更有趣的是，同一样品的FSS能量展现出强烈的温度依赖性，温度越低，裂分越大，这在以往的外延生长或胶体量子点体系都未有观测到。通过变温的晶格结构表征，结合美国能源部能源前沿研究中心Peter Sercel博士的有效质量模型理论计算，研究团队发现这种温度依赖的FSS源于CsPbI3钙钛矿高度动态的晶格结构：降温能加剧Pb-I八面体扭曲，降低晶格对称性，进而增大FSS。此外，这些晶格扭曲的正交相量子点却仍然拥有准立方相晶面，该特性使亮激子之间产生避免交叉的精细结构能量间隙，实验上观测到的系综层面量子拍频正是对应于该能量间隙。该工作精准测定了胶体量子点系综的亮激子精细结构裂分，提出了通过温度诱导CsPbI3量子点晶格畸变进而调控亮激子裂分能的新原理，展示了其在量子信息科学领域的重要应用潜力。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01349-4

作者：Sophie编辑：Joanna对于太阳能转换器件和生物成像应用程序来说，使用发射近红外光、具有显著斯托克斯位移且再吸收损失小的材料非常重要。近期新加坡国立大学化学系便合成了这样一种新型材料——四元混合巨壳型量子点（InAs?In(Zn)P?ZnSe?ZnS）。这种新型量子点可以实现显著斯托克斯位移，且光致发光量子效率可达25%，非常适合应用于太阳能及生物领域。Tips: 斯托克斯位移是指荧光光谱较相应的吸收光谱红移（斯托克斯位移=发射波长-吸收波长）。斯托克斯位移越大，荧光太阳能光电转换效率越高。图片来源于网络 单锅连续注射&结构比例控制合成新型量子点的关键新加坡国立大学使用单锅连续注射的方法来合成该量子点。四元混合巨壳型量子点结构主要成分由内到外比例为1: 50: 37.5: 37.5合成过程分为4步，由内向外，依次为：1. 合成该量子点InAs内核2. 向InAs核反应容器中注射As前驱体溶液、醋酸锌和磷酸氢，完成第2层In(Zn)P壳层的合成3. 向反应体系注射Se前驱体溶液合成第3层ZnSe壳层4. 注射S前驱体溶液和醋酸锌完成ZnS壳层的合成四元混合巨壳型量子点合成过程图示合成过程中，研究人员会定时从反应容器中取出小部分溶液测量其紫外可见吸光度和光致发光特性来跟踪反应进程，并调整量子点间的结构比例。他们利用HORIBA高能量窄脉宽 Nanoled-440L皮秒脉冲激光光源对样品进行激发，在FluoroLog-3 荧光光谱仪上测试荧光寿命。在新的荧光光谱技术中，FluoroLog-3 系列荧光光谱仪配置CCD检测器新技术，实现快速动态荧光光谱检测，实现实时反应发光测试，分子相互作用的动态检测。新型量子点材料助力太阳能及生物应用用领域终合成的巨壳量子点，In(Zn)P壳层能够吸收400-780 nm的可见光，并将吸收后的能量传递到InAs内核，使其在873nm处发射，进而实现显著的斯托克斯位移和很小的吸收-发射光谱重叠；经统计计算，该量子点光致发光量子效率可达25%，这对于近红外发射器来说相当可观，且它在873nm的发射光与硅太阳能电池的光敏响应区匹配良好。并且这一新型量子点为可调色发光，不含有害金属。种种优点使得该量子点不仅非常适合应用于荧光太阳能领域用以提高光电转换效率；且在生物领域，该量子点也可作为荧光材料用于生物成像，给疾病的诊断和治疗带来巨大进步。该工作以“Large-Stokes-Shifted Infrared-Emitting InAs?In(Zn)P?ZnSe?ZnS Giant-Shell Quantum Dots by One-Pot Continuous-InjectionSynthesis”为题，发表于《Chemistry of Materials》。 HORIBA科学仪器事业部HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案，如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术，旗下Jobin Yvon光谱技术品牌创立于1819年，距今已有200年历史。如今，HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的选择，之后我们也将持续专注科研领域，致力于为全球用户提供更好的服务。

量子点的化学诺奖引起科技界的爆燃，这一荣誉的授予不仅是对科学家工作的高度肯定，更为科技界带来无限的潜力和可能。2023年诺贝尔化学奖得主：Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov什么是量子点？量子点又称半导体纳米晶，是由数百或数千原子组成、尺寸一般小于20纳米的半导体晶体颗粒。就大小而言，量子点与足球的关系就像足球与地球的大小关系一样。图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院这些纳米粒子非常微小，因而具有独特的性质。对于这些微小组成部分，其实我们并不陌生，从电视和LED灯发出的光，到指导外科医生切除肿瘤组织，帮助生物化学家绘制生物组织图等等。研究化学的人都知道，元素的性质取决于它拥有的电子数量。然而，当物质小到纳米尺寸时，就会出现量子现象。量子点将电子束缚在小范围，堪称人工原子。2023年将化学诺奖颁发给量子点说明化学与物理、材料、生命科学的密切关系。微观世界的迷人色彩诺贝尔化学委员会主席 Johan &angst qvist 表示：量子点具有许多令人着迷且不寻常的特性，它们根据尺寸大小的不同而具有不同的颜色。早在千百年前，当人类生产彩色玻璃时就发现，往玻璃中添加金、银、镉等物质，在不同温度下会显现出不同的色彩。到了近代，物理学家发现，添加一种物质就能产生不同颜色的玻璃，决定颜色的是加热温度和冷却方式。1970年代末，叶基莫夫刚刚博士毕业，在苏联瓦维洛夫国家光学研究所工作。在研究彩色玻璃时，他发现玻璃样品中的纳米颗粒从约2纳米到30纳米不等，且尺寸越小，颜色越靠近蓝色，尺寸越大越接近红色。由于熟悉量子力学，他很快意识到这是与尺寸相关的量子效应，并于1981年发表了相关论文。1983年，正在美国贝尔实验室工作的路易斯布鲁斯首次在溶液中发现了自由漂浮的粒子具备尺寸依赖性的量子效应。这相当于发现了元素周期表的第三个维度：决定元素性质的，除了电子层数和外层电子数，在纳米尺度上的尺寸也很重要。1993年，巴文迪又彻底改变了量子点的化学生产，产生了近乎完美的粒子，由此让量子点技术逐步应用于人类的生活、生产和娱乐等。纳米粒子的未来潜力至今，量子点技术已经在人们的生活中得到更加精细和广泛的应用。例如，常见的液晶电视已经采用了量子点技术，使得电视屏幕越来越大，色彩更加鲜艳，光感度也更强。在科研和生产领域，量子点技术的应用更加广泛和尖端。量子点可用于生物分子标记，如寡核苷酸探针的标记，以及基因芯片或蛋白质芯片的检测。这种光谱编码技术为基因表达研究、高通量筛选试验和临床医学诊断等提供了新的可能性。未来，量子点技术的应用范围将进一步扩大。通过量子点，人们将能够观察到更多七彩以外的色彩。由于量子点技术本质上是一种高效的光电转化技术，因此量子点有可能成为人类有史以来发现的最优秀的发光材料。研究人员相信，在未来，量子点将为柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信等领域做出巨大贡献。

（一）电化学法测定量子点能级结构及缺陷位置近期，深圳大学高等研究院李秀婷研究员课题组受邀在国际期刊《Chemistry – A European Journal》的Young Chemists 2022一期上发表了题为“Electrochemically Determining Electronic Structure of ZnO Quantum Dots with Different Surface Ligands”的研究论文。量子点（Quantum dots），被广泛应用在在光电器件、太阳能电池等领域。而在这些应用中，量子点的电子结构对量子点所表现出的优越光电特性至关重要。近些年来，循环伏安法常常被用来检测量子点的能级位置。但是，目前大部分相关的研究主要集中在测量窄带隙的量子点上，宽带隙量子点能级的电化学测量受电化学窗口和能级结构等因素影响而非常困难。本研究选择被广泛应用于量子点发光二极管（QLEDs）中的宽带隙量子点—ZnO量子点进行电子结构的电化学检测。通过优化电极膜、电解质体系等条件实现了对带有不同配体（乙醇胺和三乙醇胺）的ZnO量子点的带边能级检测，还确定了它们的缺陷态位置，推测了可能的缺陷态类型。这项工作展示了循环伏安法能够作为一种有效的手段去检测量子点的电子结构，将有利于推动ZnO量子点相关器件的应用。图1. 采用循环伏安法测定了具有不同配体的ZnO量子点的能级结构。深圳大学高等研究院材料科学与工程专业的研究生冼龙斌是该论文的第一作者，深圳大学高等研究院为唯一完成单位。（二）可控电解揭示硫化铅量子点的微观组成近期，课题组在国际期刊《The Journal of Physical Chemistry C》上发表了题为“Controllable Electrolysis Reveals the Microscopic Composition of Lead Sulfide Quantum Dots”的研究论文。胶体硫化铅(PbS)量子点(QDs)的大小和组成与其光电性质密切相关，如能带结构、载流子输运、表面抗氧化性等，因此会极大地影响器件性能。目前对于单个量子点空间元素分布的表征十分困难。在这项工作中，团队开发了一种简单高效的电化学方法来探测被油酸(OA)覆盖的PbS量子点的微观组成。研究发现，亚单层量子点在较低的电位扫描速率下进行了完全电解，而在较高的电位扫描速率下只有富含Pb(II)的表层发生了电解。因此不仅通过可控电解揭示了PbS-OA量子点的表面组成，而且提出了其元素的空间分布模型。此外，还成功揭示了PbS-OA量子点尺寸依赖的元素比例，表明了电化学是定量量子点组成的有力工具。图1. PbS量子点的可控电解示意图。深圳大学高等研究院陈婕和朱远航是该论文的共同第一作者，深圳大学高等研究院为第一完成单位。（三）基于钙钛矿量子点相变检测乙醇中痕量水近期，团队与四川大学肖丹教授课题组合作在国际期刊《Analyst》上发表题为“A Handy Imaging Sensor Array Based on the Phase Transformation from CsPbBr3 to CsPb2Br5: Highly Sensitive and Rapid Detection of Water Content in Ethanol”的研究论文。乙醇中的痕量水对其参与的有机反应速率及最终产率产生影响；作为汽车燃料时，共存水会提高燃料消耗、损害汽车引擎等。然而目前成熟的痕量水检测方法通常需要复杂的策略和设备。本研究基于荧光开关机制构建了CsPbBr3@PVA成像阵列传感器，利用荧光的恢复效率对水含量进行定量分析。使用智能手机直接捕捉传感器阵列的图像，用Image J快速分析，以读取每个样本的灰度值。该传感器阵列具有响应速度快（5s）、选择性强以及在实际样品中的应用潜力等优点。同时，该方法不需要昂贵的光谱仪并且不需要专业人员操作，具有成本低、检测速度快、灵敏度高等优势。图1. （A）CsPbBr3@PVA的荧光开关机制示意图和（B）CsPbBr3@PVA阵列传感器的展示。深圳大学高等研究院李秀婷研究员为该文章的共同通讯作者。

研究人员开发出了一种半导体量子点的“超晶格”，它的功能类似于金属。图片来源：美国《赛特科技日报》据最新一期《自然通讯》杂志报道，包括日本RIKEN新兴物质科学中心研究人员在内的团队成功创造了一种由硫化铅半导体胶体量子点组成的“超晶格”，研究人员在这种晶格中实现了类似金属的导电性，导电性比目前的量子点显示器高100万倍，且不会影响量子限制效应。这一进步可能会彻底改变量子点技术，从而在电致发光设备、激光器、热电设备和传感器中实现新的应用。半导体胶体量子点由于其特殊的光学性质而引起了人们极大的研究兴趣，这些性质是由量子限制效应引起的，能应用于太阳能电池，提高能量转换的效率；在生物成像中，它们可用作荧光探针、电子显示器；科学家甚至可以将它们捕获和操纵单个电子的能力用于量子计算。然而，让半导体量子点高效导电一直是一个重大挑战，阻碍了它们的充分利用。这主要是因为它们在组装中缺乏方向顺序。此次研究实现突破的关键是让晶格中的各个量子点直接相互连接，不需要配体，并以精确的方式定向它们的面。 研究人员测试了新材料的导电性，当使用双电层晶体管增加载流子密度时，发现在某个点上，它的导电性比目前量子点显示器的导电性高100万倍。重要的是，单个量子点的量子限制仍然保持不变，这意味着尽管它们的导电性很高，但不会失去功能。研究人员表示，对组装中的量子点进行精确的定向控制可以导致高电子迁移率和金属行为。这一突破可能为在新兴技术中使用半导体量子点开辟新的途径。

p　　将来的一天，只要拿着手机轻轻一扫，就能知道想买的苹果是酸还是甜，喝的牛奶安不安全，食用的油是不是地沟油 戴上智能手表就能检测皮肤血氧含量，也可以检测是否罹患皮肤癌等疾病……/pp　　这不是天方夜谭，只需一个小小的量子点光谱仪就可轻松搞定。而研发这一“神器”的，正是清华大学电子工程系副教授、博士生导师鲍捷。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/84a940c7-58e5-4b82-bde9-03ad1332280f.jpg" title="untitled_副本.jpg"//pp style="text-align: center "清华大学博士生导师鲍捷/pp　　2013年底从美国麻省理工学院(MIT)学成归国的鲍捷，是学生眼中“最帅的导师”。作为“青年千人计划”学者，鲍捷以学报国，在光谱仪研发领域采撷了最亮的那颗星，成功研发量子点光谱仪，宣告全民光谱照相时代的到来。/pp　　strong量子点光谱仪“惊艳”世界/strong/pp　　2015年7月，一篇名为《基于胶体量子点纳米材料的光谱仪》的论文在《自然》杂志上发表，学界因之轰动。“这是人们第一次在光谱仪中使用量子点”“科学领域上最重要的科研工具之一现在适合于你的手机”……国外媒体的纷纷点赞，显示出量子点光谱仪的非同寻常。/pp　　论文的第一作者正是鲍捷。同期《自然》杂志还刊登了美国西北太平洋国家实验室科学家的专题评论文章，文章说“这种优雅地将纳米技术与数码相机影像传感器集成的方法克服了多种现有技术所面临的困难”“将来，我们可能会看到微小的、高分辨率的量子点光谱仪在太空任务或家居智能传感器和物联网中被应用”……/pp　　量子点光谱仪的横空出世，是量子点和光谱仪的首次成功结合，开辟了人类使用纳米材料的新方向，具有里程碑意义。/pp　　光谱是物质的一种“指纹”，是其与生俱来的“身份证”，而作为分辨光波的神奇“眼睛”，光谱仪能准确测量物质“指纹”，从而“一眼洞穿”其化学成分和相对含量。然而，传统光谱仪受光栅分光的物理原理限制，在实际中难以做到小于一本字典的大小，且造价昂贵，高达数万美元。因此，传统光谱仪一直是实验室的“专宠”，难以进入寻常百姓家。/pp　　想要改变，就必须突破。鲍捷上下求索，终于找到纳米材料领域的“新贵”——量子点。量子点具有吸光特性，将其缩小至人头发丝万分之一尺度时，量子点的颜色就会随尺寸改变而改变。“量子点是能在非常宽的颜色范围内连续地获得不同颜色的材料，基于这一独特性，它是用来辨别物质颜色或光谱的绝佳材选。”鲍捷说。/pp　　量子点光谱仪利用不同量子点材料的光学性质，取代了光栅的光学过滤作用，具有新型传感器小、巧、轻的特点。甫一问世，量子点光谱仪就“优雅地”惊艳了世界，其广阔的应用前景也让人充满期待。/pp　strong　瞄准交叉领域闯新路/strong/pp　　成功，从来不是偶然的。跨学科的专业背景和长时间的观察思考，让鲍捷有了“后发优势”，他打破常规思维，以超然的研究视角，蹚出了一条新路。/pp　　本科就读于清华大学化学系，博士阶段深造于美国布朗大学，5年内学过材料、光谱等4个专业，博士后则在MIT从事飞秒激光研究，短短10余年间鲍捷在化学、生物、物理等多个学科方向游刃有余，学术视野空前开阔，最终“脑洞大开”，将量子点和光谱仪两种本来“八竿子打不着”的东西巧妙地结合在了一起。“我们站在巨人肩膀上做科研，虽然巨人难以超越，但巨人和巨人间有可供探索的广阔空间，交叉学科就是搭在巨人间的桥梁。”鲍捷说。/pp　　发现真问题，才有新突破。在美国求学时，细心的鲍捷发现很多人爱晒太阳，但紫外线太强可能诱发皮肤癌，这让不少人饱受折磨。“要是有一个能测量不同波长紫外线含量和强度的小型光谱仪就好了。”鲍捷暗自琢磨。/pp　　就这样，制作小型光谱仪的想法在鲍捷心里扎下了根，他推开一扇门，洞见了一个更辽阔的世界。/pp　　苦心人，天不负。量子点光谱仪终于从理念变成现实。/pp　　strong怀揣一颗报国之心/strong/pp　　海外负笈，以学报国，这在鲍捷看来是水到渠成的事。/pp　　“他身上有老一辈科学家的影子，怀着一颗朴素的爱国心。”课题组科研助理张大伟和鲍捷接触很多，这份情怀让他感同身受。早在回国前，鲍捷就在量子点光谱仪的研发上获得突破。“凭借这一颠覆性技术，他想要留在美国任教绝非难事。”张大伟说。/pp　　然而，鲍捷却并没想要留下来。当清华大学前校长2013年在美国问他是否愿意回国工作时，鲍捷没有丝毫犹豫，满口答应。/pp　　回到母校工作，实现了鲍捷的夙愿。归国之初，实验室只是几间空荡荡的小屋，一件像样的设备都没有，鲍捷一一购置，慢慢搭建起了完备的实验研究平台。在这里，他一次次地试验，成功研制出了量子点光谱仪，开了量子点和光谱仪巧妙结合的先河。现在，他又瞄准前沿领域，朝智能制造、智能传感、智能分析等领域迈进，准备攀登新的高峰。/pp　　“不要把自己局限在一个领域，做研究眼界一定要宽。”这是鲍捷常对学生说的一句话。他鼓励学生广泛涉猎，并注重培养他们的自主科研能力。/pp　　鲍捷对学生严格，“在算法精度上，别人能做到的，你们也要做到” 但他也很宽和，“我们实验室从不打卡，鲍老师不会强迫我们，如果状态不好，出去玩一天他也不介意。”博士研究生李思敏说。/pp　　实验室的一面墙上，贴着鲍捷跟学生们的不少合影。照片上，他总是站在最外侧，也像个学生一样，笑得灿烂。/p

试想一下在医院进行常规查体时的情景：首先，喝下一种含有被称为“量子点”的纳米颗粒液体，接着医生会让你慢慢走过一个通道，这时激光束对全身进行扫描。在通道的另一端，计算机自动生成三维图像。根据这些图像，医生会告诉你在你的体内有无肿瘤细胞以及肿瘤细胞的精确定位。这些好像是只有在《特种部队》或《阿凡达》这样的科幻电影中才能见到，但是请不要吃惊，这或许就是你在不久的将来可以享受的“量子点”荧光成像检测技术。　　到目前为止，活体荧光成像技术主要有三种标记方法：荧光蛋白标记、荧光染料标记和量子点标记。相比较而言，量子点作为一种新型的纳米荧光探针，具有激发光谱宽、荧光发射光谱窄、荧光光谱可调、量子产率高、光化学稳定性高和不易分解等诸多优点。　　由于不同波长的组织穿透力不同，血红蛋白、脂肪和水对近红外波长的吸收保持在一个比较低的水平。因此，对活体成像而言，选择激发和发射光谱位于近红外光区的荧光标记方法，将有利于活体的光学成像，特别是深层组织的荧光成像(Nature Method, 2005, 2: 12 Science, 2009, 324: 804)。因此，低生物毒性的近红外量子点对于活体荧光成像具有非常重要的意义。　　最近，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王强斌课题组在国际上首次通过以二乙基二硫代氨基甲酸银(Ag(DDTC))为原料制备出了尺寸均匀的、大小为10 nm左右的单分散性Ag2S近红外量子点。相比较目前的含有铅、镉或汞等元素的近红外量子点，Ag2S量子点具有毒性较低的优点。光谱研究结果表明该Ag2S量子点在785 nm的激发条件下，在1058 nm附近出现一个半峰宽仅为21 nm左右的荧光光谱。鉴于该Ag2S量子点的发现对于活体深层组织荧光成像技术具有重要的意义，本研究成果近日发表在著名杂志Journal of the American Chemical Society。　　该项研究工作得到了国家自然基金, 中国科学院-国家外国专家局创新团队国际合作伙伴计划以及苏州科技局的支持。

美国伦斯勒理工学院的研究人员开发出了一种基于纳米技术的新型量子点红外探测器(QDIP)。这种以金为主要材料的新型元件可大幅提高现有红外设备的成像素质，将为下一代高清卫星相机和夜视设备的研发提供可能。相关论文发表在《纳米快报》杂志网站上。　　由美国空军科研局资助的这一项目，通过在传统量子点红外探测器元件上增加金纳米薄膜和小孔结构的方式，可将现有量子点红外探测器的灵敏度提高两倍。　　研究人员称，红外探测器的灵敏程度从根本上取决于在去除干扰后所能接收到的光线的多寡。目前大多数红外探测器都以碲镉汞技术(MCT)为基础。该元件对红外辐射极为敏感，可获得较强信号，但同时也面临着无法长时间使用的缺憾(信号强度会逐步降低)。　　在这项新研究中，研究人员使用了一个厚度为50纳米、具有延展性的金薄膜，在其上设置了大量直径1.6微米、深1微米的小孔，并在孔内填充了具有独特光学性能的半导体材料以形成量子点。纳米尺度上的金薄膜可将光线“挤进”小孔并聚焦到嵌入的量子点上。这种结构强化了探测器捕获光线的能力，同时也提高了量子点的光电转换效率。实验结果表明，在不增加重量和干扰的情况下，通过该设备所获得的信号强度比传统量子点红外探测器增强了两倍。下一步，他们计划通过扩大表面小孔直径和改良量子点透镜方法对设备加以改进。研究人员预计，该设备在灵敏度上至少还有20倍的提升空间。　　负责此项研究的伦斯勒理工学院物理学教授林善瑜(音译)称，这一实验为新型量子点红外光电探测器的发展树立了一个新路标。这是近10年来首次在不增加干扰信号的情况下成功使红外探测器的灵敏度得到提升，极有可能推动红外探测技术进入新的发展阶段。　　红外传感及探测设备在卫星遥感、气象及环境监测、医学成像以及夜视仪器研发上均有着广泛的应用价值。林善瑜在2008年时曾开发出一种纳米涂层，将其覆盖在太阳能电池板上，可使后者的阳光吸收率提高到96%以上。

【背景介绍】短波红外（SWIR，1000 ~ 3000 nm）光由于受空气中颗粒物的散射较弱，使其在恶劣天气或生物组织中也能提供长距离的有效探测，并在成像场景中提供更多物质化学信息，同时对人眼更安全。这使得短波红外在光通信、远程遥感、自动化视觉技术、生物成像、环境监测和光谱技术等领域中发挥着关键作用。然而，目前市场上的短波红外传感器采用异质外延技术，但由于其制备方法繁琐，不适合大规模、低成本的3D成像应用。随着胶体量子点（QDs）的出现，其尺寸可调的光学特性使其成为探测短波红外光的理想选择。虽然近年来短波红外光电二极管结构探测器的响应时间有所缩短，但至今仍未达到纳秒级水平，这成为将胶体量子点应用于短波红外光电探测领域的主要挑战之一。【成果简介】据麦姆斯咨询报道，近日，比利时根特大学的邓玉豪（第一作者兼通讯作者）等人取得了一项突破性进展，成功利用超薄的胶体量子点吸收层，实现了基于胶体量子点的短波红外光电二极管（QDPDs）的纳秒级响应。这一研究成果创造了短波红外领域全球最快响应的胶体量子点光电探测器，相关内容以“Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers”为题在国际著名期刊《Advanced Materials》上发表，为胶体量子点在超快短波红外探测技术的进一步研究和应用提供了重要参考。【核心创新】1. 作者通过优化超薄结构器件的制备方法，克服了传统方法的不足，得到1600整流比，42%外量子点效率，98%内量子效率的光电二极管器件。2. 作者通过结构优化，实现了超薄结构下量子点层2.5倍的吸收增强，使得超薄层仍然可以获得较高EQE。3. 作者通过厚度与面积优化，平衡了载流子迁移与RC延迟时间，最终得到创纪录的4 ns响应时间。【研究概览】图1 胶体量子点探测器响应时间的数值模拟。计算表明，漂移时间将限制厚度较大的器件的响应，而RC延迟效应将决定较薄器件的响应时间，通过降低器件面积，可以实现纳秒级的响应时间。图2 胶体量子点光电探测器制备流程优化。作者通过浓度梯度的交换法，提高了PN结的质量，得到了整流比1600的器件。图3 胶体量子点光电探测器结构示意图和性能。该器件的胶体量子点层优化为100 nm，器件的EQE达到了42%，利用结构形成法布里-珀罗腔，在超薄结构的基础上将量子点层的吸收增强了2.5倍，器件的内量子效率可以高达98%。图4 不同大小、不同厚度的胶体量子点光电探测器的响应时间。通过降低器件面积、优化器件厚度可以使得器件具有更快的响应，最终实现了4 ns响应时间的世界纪录，也是首次将胶体量子点短波红外探测速度逼近到了纳秒级别。图5 进一步提快胶体量子点光电探测器的响应分析。通过提高胶体量子点层的迁移率，该器件结构还可以继续优化，完全可以实现亚纳秒级的响应时间，这为接下来胶体量子点超快探测器的研究阐明了研究方向。【成果总结】这项研究工作实现了一项重大的突破，首次设计出超薄吸收层的胶体量子点光电探测器，成功在短波红外波段实现了纳秒级的响应时间。通过采用浓度梯度的配体交换方法，制备了具有高质量PN结的薄膜结构器件。该光电探测器在1330 nm处获得了42%的外部量子效率，这得益于在胶体量子点光电二极管内形成的法布里-珀罗腔和高效的光生电荷提取。此外，通过进一步提高载流子迁移率，该器件可以实现亚纳秒级的响应时间。这项研究的成功突破将对短波红外超快光电探测技术的未来发展产生重大的影响。论文链接：https://doi.org/10 . 1002/adma.202402002【作者简介】Yu-Hao Deng（邓玉豪）博士，比利时根特大学BOF博士后研究员，主要研究方向为胶体量子点材料与光电器件，以及钙钛矿材料表征与光电器件。邓博士之前已在Nature、Advanced Materials、Matter、Nano Letters、Physical Review Letters、Advanced Science等国际期刊上发表论文数篇。

半导体量子点（QD）以其显著的量子限制效应和可调的能级结构，成为构筑新一代信息器件的重要材料，在高性能光电子、单电子存储和单光子器件等方面具有重要应用价值。半导体量子点材料的制备和以其为基础的新型信息器件是信息科技前沿研究的热点。近期，在中国科学院半导体研究所王占国院士的指导下，刘峰奇研究员团队等在量子点异质外延的研究方面取得重要进展。研究团队以二维材料为外延衬底，基于分子束外延技术，发展出范德华外延（van der Waals epitaxy）制备量子点材料（如图1）的新方案。图1 InSb量子点在MoS2表面的范德华外延生长层状结构的二维材料表面没有悬挂键，表面能低。因此在远离热平衡的超高真空条件下，具备闪锌矿、纤锌矿等稳定结构的材料在其表面生长时，在总自由能最小的驱动下，原子沉积在二维材料上，将倾向于裸露出更多衬底，同时将自身的原子更多地包裹进体内，以降低表面自由能，从而实现量子点的生长。反射式高能电子衍射（RHEED）的原位生长监测显示，量子点的范德华外延生长为非共格外延模式，区别于S-K生长模式，衬底和量子点材料的晶格常数没有适配关系，从而大大提高了衬底和量子点材料组合的自由度，呈现出普适特性；同时，二维材料的面内对称性对量子点材料的晶格取向具有诱导作用。二维材料各异的表面性质则为量子点的形貌调控提供了新的自由度（如图2）。图2 量子点范德华外延生长方法的普适基于该方案，研究团队成功在4种二维材料（hBN、FL mica、MoS₂ 、graphene）上制备了5种不同的量子点，包括4种III-V族的化合物半导体InAs、GaAs、InSb、GaSb和1种IV-VI族的化合物半导体SnTe，衬底和量子点组合共计20种。量子点种类受限于分子束外延（MBE）源材料种类，而非衬底，证实了外延方案的普适特性。研究团队在晶圆级尺度上完成了量子点的范德华外延制备，呈现出较好的尺寸均匀性和分布均匀性，且在较小的衬底温度范围内可以实现量子点密度4个数量级的变化。此外，研究团队通过制备光电探测器，拓宽了器件的响应光谱范围，证实了在范德华外延制备的0D/2D混维异质结中界面载流子的有效输运。该外延方案天然构筑的量子点/二维材料体系为研究混维异质结构提供了一个新平台，将有助于拓宽低维量子系统的潜在应用。该成果以“Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces”为题发表于Nature Synthesis期刊。半导体所博士生辛凯耀、博士李利安和北京大学博士后周子琦为论文共同第一作者，半导体所刘峰奇研究员、翟慎强研究员、魏钟鸣研究员和中国人民大学刘灿副教授为该论文的共同通讯作者，论文合作者包括北京大学刘开辉教授、半导体所张锦川研究员、刘俊岐研究员、邓惠雄研究员等。该项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国科学院青年促进会等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.103 8 /s44160-024-00562-0

如果基于量子点波长“滤波器”的原型机能够研制成功，将大大减小空间应用中使用的光谱仪的体积。　　目前，美国宇航局(NASA)和麻省理工学院(MIT)正在展开相关合作研究，计划将在立方星CubeSat上首次启用这套系统。　　小型化　　光谱仪作为探测设备，几乎搭载在所有的航天器上来完成空间任务。NASA希望采用量子点技术来改变现有光谱仪的构建以及集成方式，同时实现成本的大幅降低。　　此项目由NASA戈达德太空飞行中心Mahmooda Sultana以及麻省理工学院化学教授Moungi Bawendi领导的研究小组共同合作，由支持高风险技术研发的美国航天局创新中心基金资助。　　Bawendi教授的研究团队从20世纪90年代初便率先开始了量子点技术的研究，并开发了光伏、生物以及微流体方面的应用。同时，量子点技术也开始对消费电子产业产生重大影响，许多电视机厂商正着手采用新技术以提高LCD的显示质量。首席研究员Mahmooda Sultana　　Sultana教授表示，该方法能够实现天基及其他类型光谱仪的小型化和革命性的发展，尤其是那些应用于无人飞行器和小型卫星上的光谱仪。在给NASA的一份报告中，她表示“量子点技术确实可以简化仪器的集成。”　　最初，它可以以吸收光谱的形式工作，代替光学部件的传统结合方式。传统的光谱仪利用光栅、棱镜或干涉滤光片将光分成不同的波长，然后探测产生光谱，而量子点本身就可以实现对光的有效滤波。　　量子点对光的吸收或发射取决于它们的直径大小——尺寸越小，量子点吸收的光的波长也将越小——因此原理上，不同尺寸的量子点阵列可以实现相似光学装置的作用。虽然集成光学以及光电子器件的发展使得传统光谱仪已实现小型化，但它们仍然过大。　　Sultana解释说：“采用光栅或棱镜等传统光谱仪，光谱分辨率的增加会让分光仪器的光路相应变长，仪器的体积通常会较大。但在量子点光谱仪中，由于量子点可以根据尺寸和形状的不同像滤波片一样来吸收不同波长的光，仪器可以变得超紧凑。换句话说，量子点可以取代传统光谱仪中的光栅、棱镜以及干涉滤光片等光学元件的使用。”　　可调谐波长滤波器　　理论上，量子点光谱仪可以基于无限数量的不同尺寸的量子点来实现高分辨率。　　Sultana表示：“这样就可以产生一个持续可调的、独立的一组吸收滤波器，其中每个像素都是由特定尺寸、形状或成分的量子点组成。我们可以精确控制每个量子点的吸收，或者定制仪器，用高光谱分辨率来观察不同波段。”　　目前，Sultana正在开发论证一个对可见光敏感的20×20量子点阵列，用于对太阳光和极光进行成像。原理上，该技术可以扩展到更广的波长范围，从紫外光到中红外光，实现在地球科学、太阳物理学和行星科学等许多空间领域的潜在应用。　　NASA报告称，Sultana教授正在为立方体卫星应用开发一个概念仪器，同时麻省理工学院的博士生JasonYoo正在研究一项技术，合成不同前体化学品来创建量子点，并将它们打印到合适的承印物上。Sultana表示：“我们希望最终能将量子点直接打印到探测器像素上。”　　虽然该技术目前还处于开发的早期阶段，NASA研究人员也补充表示他们将努力尽快提高技术水平。Sultana表示，将会有几个太空科学任务从这项技术中受益。

近日，大连化物所光电材料动力学研究组(1121组)吴凯丰研究员团队在量子点自旋光物理研究中取得重要进展，率先实现了室温下对低成本溶液法制备的胶体量子点的自旋相干操控。这一成果在量子信息科学、超快光学相干操控等领域具有重要意义。 　　量子信息技术是指以微观粒子(或准粒子)的量子态表示信息，并利用量子力学原理进行信息存储、传输和处理的技术。对固态材料中的自旋量子比特进行相干操控，是实现量子信息技术的重要途径之一。目前已报道的相关固态体系主要包括外延生长量子点以及“点缺陷”材料(如金刚石色心等)。然而，外延生长量子点的制备工艺复杂、造价昂贵，且其自旋操控一般需要在液氦温度下进行。虽然“点缺陷”自旋的室温相干操控已被实现，但如何规模化、可控地制备这类材料是巨大挑战。因此，若能在室温下实现低成本材料的自旋相干操控，对量子信息技术的发展将产生深远影响。吴凯丰研究团队一直致力于胶体量子点的超快光物理与光化学研究。这类量子点不但可用相对温和的化学法在溶液中宏量制备，而且其限域效应强，光电、自旋等性质精准可调。尤其是近年来兴起的铅卤钙钛矿量子点，其旋轨耦合效应特别有利于通过光学方法高效注入自旋极化，同时其强烈的光-物质相互作用可促进自旋的光学相干操控。研究团队近期也在CsPbI3钙钛矿量子点中观测到激子自旋的系综量子拍频并解析了其物理机制(Nat. Mater. 2022)。 　　在本工作中，考虑到量子点中的电子-空穴交换作用导致了复杂的激子裂分及光学取向行为，研究团队创新性地制备了钙钛矿量子点的单空穴自旋极化态，并基于自行研制的多脉冲飞秒磁光技术实现了室温相干操控。团队通过在CsPbBr3量子点表面化学修饰蒽醌分子，在亚皮秒尺度捕获量子点的光生电子，猝灭电子-空穴交换作用，在室温下得到百皮秒量级的空穴自旋，在外加磁场下，该空穴自旋发生拉莫尔进动；借助一束亚带隙光子能量的飞秒脉冲，利用光学斯塔克效应产生赝磁场，成功实现了对空穴自旋的量子态相干操控。考虑到自旋相干寿命在百皮秒量级，借助百飞秒(约为0.1皮秒)级的激光脉冲，研究人员在自旋退相干之前原则上可开展上千次的有效操控。 　　相关文章以“ Room-temperature coherent optical manipulation of hole spins in solution-grown perovskite quantum dots ”为题，于近日发表在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上。该工作的共同第一作者是大连化物所1121组博士生蔺煦阳、韩瑶瑶博士。上述工作获得了中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金及大连化物所创新基金的支持。

近日，大连化物所光电材料动力学研究组 (1121组) 吴凯丰研究员与杜骏副研究员团队在量子点—有机分子能量传递机制与应用的研究中取得新进展，采用低毒性的CuInSe2量子点结合并四苯分子，实现了该类杂化体系在近红外波段的热延迟发光。研究团队前期对量子点—有机分子的三线态能量转移（TET）机制研究表明，通过提升量子点与分子间的波函数交叠，在较低能量转移驱动力的条件下，仍可获得较高的TET效率。根据化学热力学平衡，在这种情况下，从分子三线态回到量子点激子态的吸热反向传能（rTET）速率也较快。当rTET速率远大于三线态本身衰减速率时，大多数三线态都会重新回到量子点激子态辐射出延迟发光（TADPL），原理上类似于有机分子中的热活化延迟荧光现象（TADF）。团队前期也观测到可见波段的TADPL（ACS Energy Lett.，2021），并揭示了其熵调控机制（JPCL，2021）。近红外光在生物成像、光纤通讯、国防安全等诸多领域具有重要意义。基于量子点—有机分子杂化体系的近红外TADPL迄今未见报道，其根本难点在于有机分子的能隙定则：能量越低的激发态，其非辐射衰减速率一般越快。这就要求rTET的速率足够快，才能与之有效竞争。针对该难题，团队通过同时优化量子点和三线态受体分子的手段，采用低毒CuInSe2-并四苯的体系，观测到近红外波段（约900nm）的TADPL。研究发现，在室温下TADPL寿命达到60微秒，相比于CuInSe2量子点激子态的寿命提升了3个数量级。得益于量子点本身高达40%的发光效率，TADPL的量子效率可达9%。这些参数可媲美可见光波段的TADPL体系。得益于CuInSe2量子点无重金属的优势，该体系相比传统的铅基近红外量子点可能具有更好的应用前景。吴凯丰团队近年来致力于量子点与有机分子间的电荷/能量转移动力学研究：揭示了量子点与有机分子电荷转移中的累积电荷效应（JACS，2018；JACS，2018），并在单电荷转移体系中观测到Marcus反转区间（Nat. Commun.，2021）；揭示了量子点尺寸和分子构型对三线态传能的影响及其物理机制（JACS，2019；Angew，2020）；建立了电荷转移介导三线态传能的各类新机制（Nat. Commun.，2020；JACS，2020；Nat. Commun.，2021），并阐明了电子自旋在其中起到的关键角色（JACS，2020；Chem，2022）；面向实际应用开发了低毒性的CuInS2、InP和ZnSe等量子点作为各波段的三线态敏化剂（JACS，2019；JACS，2020；ACS Energy Lett.，2022）；探索了这些电荷/能量转移机制在光催化合成中的新型应用（Chem，2021；Angew，2022；Angew，2022）。上述最新工作以“Thermally Activated Delayed Near-Infrared Photoluminescence from Functionalized Lead-Free Nanocrystals”为题，发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，并被选为VIP（Very Important Paper）文章。该工作的第一作者是大连化物所1121组博士后何山。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的资助。

近日，大连化物所光电材料动力学研究组(1121组)吴凯丰研究员团队在量子点光化学研究中取得新进展，实现了低毒性量子点敏化的近红外光至可见光的上转换，并将该体系与有机光催化融合，实现了高效快速的太阳光合成。红外光到可见光的上转换在能源、医学、国防等诸多领域具有重要意义。例如，对太阳能电池而言，上转换能使器件有效利用阳光中大量的低能量红外光子，颠覆性地提升太阳能转换效率。在各类上转换技术中，基于有机分子三线态湮灭的光敏化技术可对非相干、非脉冲光源实现上转换，具有较强的实用前景。然而，此前报道的近红外光敏剂普遍效率较低或含有贵金属和有毒金属，相对廉价环保的高效近红外光敏剂仍然有待开发。吴凯丰研究团队一直致力于胶体量子点的超快光物理与光化学研究。在超快光化学领域，团队深入系统研究了量子点敏化有机分子三线态的动力学机制，并探索了这些新机制在光子上转换、有机光合成等领域的初步应用。在这些前期基础之上，团队开发了CuInSe2基量子点，用于替代剧毒性的铅基近红外量子点，实现三线态敏化和近红外上转换。本工作中，团队首先制备了ZnS包覆的Zn掺杂CuInSe2核壳量子点，有效解决了该类量子点缺陷多和稳定性差的难题。团队在量子点表面修饰羧基化的并四苯分子作为三线态受体，并采用红荧烯分子作为湮灭剂，构建了溶液相上转换体系。时间分辨光谱研究表明，该类量子点的光生电子和空穴都会在皮秒尺度被局域在量子点本身的缺陷位点。该局域化电子—空穴对仍然能够在纳秒尺度传递至量子点表面的并四苯分子，高效生成自旋三线态，并进一步传递至溶液中的红荧烯分子，进行三线碰撞湮灭。该体系实现了近红外至黄光的上转换，量子效率高达16.7%。此外，团队进一步将该上转换体系与有机光催化融合，将上转换产生的红荧烯单线态直接用于“原位”有机氧化、还原、光聚合等反应。该设计巧妙避免了上转换光子传播至溶液表面所经历的量子点重吸收损失。此外，得益于近红外光子的有效利用和量子点的宽谱吸收特性，该上转换—有机催化融合体系可在太阳光下高效快速运行。在室内窗台上(光照强度约32 mW cm-2)，几秒内即可实现丙烯酸酯的光诱导聚合。该工作不仅实现了低毒性量子点敏化的近红外至可见高效上转换，还发展了一种高效快速太阳光合成的新路径。这一交叉创新型研究成果对光化学和光合成技术的发展具有重要意义。相关成果以“Near-infrared photon upconversion and solar synthesis using lead-free nanocrystals”为题，于近日发表在《自然—光子学》(Nature Photonics)上。该工作的共同第一作者是我所1121组梁文飞、聂成铭博士、杜骏副研究员。上述工作获得了中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、我所创新基金等项目的支持。

2023 年 10 月 4 日北京时间 17 时 45 分许，美籍法国-突尼斯裔化学家芒吉G. 巴文迪（Moungi G. Bawendi），美国化学家路易斯E. 布鲁斯（Louis E. Brus）和俄罗斯物理学家阿列克谢I. 叶基莫夫（Alexei I. Ekimov）因“发现和合成量子点”获得 2023 年诺贝尔化学奖。芒吉G. 巴文迪（Moungi G. Bawendi），1961年出生于法国巴黎。1988年毕业于美国伊利诺伊州芝加哥大学，获博士学位。美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院（MIT）教授。 路易斯E. 布鲁斯（Louis E. Brus），1943 年出生于美国俄亥俄州克利夫兰。1969 年获美国纽约哥伦比亚大学（Columbia University）博士学位。美国纽约哥伦比亚大学教授。 阿列克谢I. 叶基莫夫（Alexei I. Ekimov），1945 年出生于苏联。1974 年毕业于俄罗斯圣彼得堡约菲物理技术研究所，获博士学位。1999年起移居美国，就职于私人商业公司，曾任美国纽约纳米晶体技术公司（Nanocrystals Technology Inc）首席科学家。他们令纳米技术拥有了颜色芒吉G. 巴文迪（Moungi G. Bawendi）、路易斯E. 布鲁斯（Louis E. Brus）和阿列克谢I. 叶基莫夫（Alexei I. Ekimov）因发现和开发量子点，共同荣获2023年诺贝尔化学奖。量子点是一类微小颗粒，具有独特的特性，已经应用在多个方面。例如，电视屏幕和LED灯的光线传导都与此相关，它们可以催化化学反应，它们清晰的光线也能为外科医生照亮肿瘤组织。“托托，我有一种感觉，我们已经不在堪萨斯了。”这是电影《绿野仙踪》中的一句经典台词。当一场强大的龙卷风吹走了主人公多萝西的房子时，十二岁的她晕倒在了床上。当房子再次着陆，多萝西抱着她的狗——托托走出门外时，一切都改变了。突然间，她进入了一个神奇的彩色世界。如果一场魔法龙卷风席卷我们的生活，将一切都缩小到纳米尺度，我们几乎肯定会像奥兹国的多萝西一样感到惊讶。我们的周围将会变得五光十色，一切都会改变。我们的金耳环会突然发出蓝色的光芒，而手指上的金戒指会发出红宝石般的光芒。如果我们尝试在燃气灶上煎东西，煎锅可能会融化。我们的白色墙壁因油漆中含有二氧化钛，还会开始产生大量的活性氧。图 1. 量子点为我们创造彩色光提供了新的机会。纳米尺度在纳米世界中，事物的行为会有所不同。一旦物质的大小开始以百万分之一毫米为单位，奇怪的现象——量子效应——就会出现，这会颠覆我们的直觉。2023年诺贝尔化学奖得主都是探索纳米世界的先驱。20 世纪 80 年代初，路易斯布鲁斯和阿列克谢叶基莫夫各自独立地成功合成了量子点，这种纳米粒子非常微小，量子效应决定了它们的特性。1993 年，芒吉巴文迪彻底改变了制造量子点的方法，使其质量极高——这是它们应用于当今纳米技术的重要先决条件。多亏了这三位获奖者的工作，现在人类能够利用纳米世界的一些奇特特性了。量子点现已出现在商业产品中，并应用于从物理、化学到医学的许多学科。但在展开描述这些内容之前，让我们先来揭开2023年诺贝尔化学奖的背景。图 2. 量子点是一种通常仅由几千个原子组成的晶体。一个量子点相对于足球的大小，就像是足球相对整个地球的大小。几十年来，纳米世界中的量子现象只是一种预测当阿列克谢叶基莫夫和路易斯布鲁斯合成出第一个量子点时，科学家已经知道，它们理论上可能拥有不寻常的特性。1937 年，物理学家赫伯特弗勒利希（Herbert Fröhlich）就已经预测纳米粒子的行为不会像其他粒子一样。他探索了著名的薛定谔方程的理论结果，该方程表明，当粒子变得极小时，材料中电子分布的空间就会减少。因此，电子（既是波又是粒子）会被挤压在一起。弗勒利希意识到这将使材料的特性发生巨大变化。这种可能性吸引了许多研究者，他们利用数学工具成功地预测了许多量子尺寸效应。他们还努力尝试在现实中呈现它们。但这说起来容易做起来难——科学家需要雕刻一个只有针头一百万分之一大小的结构。利用量子效应尽管如此，在 20 世纪 70 年代，研究人员还是成功制出了这种纳米结构。他们利用一种分子束，在块状材料上制造出了一层纳米级厚度的涂层。组装完成后，他们发现该涂层的光学特性可以随其厚度的变化而变化，这一观察结果与量子力学的预测相吻合。这是一项重大的突破，但需要非常先进的技术。研究人员需要超高真空和接近绝对零度的温度，因此很少有人想到量子力学现象能够得到实际应用。然而，科学时不时会带来意想不到的结果，这一次，转折点就出现在对一项古老发明的研究上：彩色玻璃。单一物质可以赋予玻璃不同的颜色对彩色玻璃最古老的考古发现距今已有数千年历史。玻璃制造商已经测试了各种方法，以了解如何制造颜色各样的的玻璃。为此，他们添加了银、金和镉等物质，然后在不同的温度下生产出了色泽美丽的玻璃。在19世纪和20世纪，当物理学家开始研究光的光学特性时，玻璃制造商对光的了解就派上用场了。物理学家可以使用彩色玻璃来滤掉特定波长的光。为了优化实验，他们开始自己生产玻璃，并由此获得了重要的发现。他们了解到的一件事是，一种物质就可以产生具有多种不同颜色的玻璃。例如，硒化镉和硫化镉的混合物可以使玻璃变成黄色或红色——会产生哪一种颜色取决于熔融玻璃的加热程度和冷却方式。最后，他们还证明颜色的形成来源于玻璃内部形成的颗粒，并且可形成的颜色取决于颗粒的大小。这大概是 20 世纪 70 年代末学界所了解的知识。今年的诺贝尔化学奖得主之一、彼时刚刚博士毕业阿列克谢I.叶基莫夫 (Alexei Ekimov) 开始在苏联的圣彼得堡Vavilov国家光学研究所（Vavilov State Optical Institute）工作。阿列克谢叶基莫夫揭示了彩色玻璃的奥秘同一种物质可以制造不同颜色的玻璃，这件事引起了叶基莫夫的兴趣，因为这实际上是不合逻辑的。如果你用镉红画一幅画，它永远都会是镉红色，除非你混合其他颜料。那么同一种物质为何能赋予玻璃不同颜色呢？在攻读博士学位期间，叶基莫夫研究的是半导体，这是微电子学的重要组成部分。在该领域，光学方法被用作评估半导体材料质量的诊断工具。研究人员用光照射材料并测量吸光度，这能表征材料是由什么物质制成的，以及晶体结构的有序程度。叶基莫夫熟悉这些方法，因此他开始用它们来检查彩色玻璃。经过一些初步实验后，他决定系统地生产用氯化铜着色的玻璃。他将熔融玻璃加热到500°C到700°C，加热时间从1小时到96小时不等。玻璃冷却并硬化后，他进行了X射线检查。散射光线显示，玻璃内部形成了微小的氯化铜晶体，而制造的过程会影响这些颗粒的大小。在一些玻璃样品中，它们只有约2纳米大，而在其他玻璃样品中，它们的尺度达到了30纳米。有趣的是，玻璃的光吸收会受到这些颗粒尺寸的影响。最大的颗粒吸收光的方式与氯化铜通常的吸收方式相同，但颗粒越小，它们吸收的光越蓝。作为一名物理学家，叶基莫夫非常熟悉量子力学定律，他很快意识到，他观察到了与尺寸相关的量子效应。这是科学家首次成功地刻意制造了量子点——一种引起尺寸依赖性量子效应的纳米颗粒。1981年，叶基莫夫在苏联科学期刊上发表了他的发现，但这对于铁幕另一边的研究人员来说很难获得。因此，1983年，当同样是今年诺贝尔化学奖的获得者——路易斯布鲁斯首次在溶液中发现了自由漂浮的粒子具备尺寸依赖性的量子效应时，他并不知道叶基莫夫的发现。图 3. 当粒子收缩时会产生量子效应。当粒子直径仅为几纳米时，电子可用的空间就会缩小。这会影响粒子的光学特性。布鲁斯证明粒子的奇怪特性是量子效应路易斯布鲁斯（Louis Brus）当时在美国贝尔实验室工作，他长期的研究目标是利用太阳能实现化学反应。为了实现这一目标，他使用了硫化镉颗粒。这种颗粒可以捕获光，并利用其中的能量来驱动反应。布鲁斯将溶液中的这些颗粒做得非常小，因为这样就有更大的区域可以发生化学反应；材料切得越碎越多，暴露在周围环境中的表面积就越大。在研究这些微小粒子的过程中，布鲁斯注意到一些奇怪的事情——当他将它们放在实验台上一段时间后，它们的光学特性发生了变化。他猜测这可能是因为颗粒变大了。为了证实他的怀疑，他生产了直径约为 4.5 纳米的硫化镉颗粒。随后，布鲁斯比较了这些新制造的颗粒的光学特性和直径约为 12.5 纳米的较大颗粒的光学特性。较大的颗粒和硫化镉吸收相同波长的光，但较小颗粒的吸光度偏向蓝色（图 3）。和叶基莫夫一样，布鲁斯明白他观察到了与尺寸有关的量子效应。他于 1983 年发表了自己的发现，并开始研究一系列其他物质制成的颗粒。这些物质出现的模式是相同的——颗粒越小，它们吸收的光越蓝。元素周期表获得了第三个维度这里，您可能会想问“为什么如果物质的吸光度稍微偏向蓝色会很重要？这真的很神奇吗？”是的，光学性质的变化表明这种物质的特性完全改变了。一种物质的光学特性是由其电子控制的。同样这些电子还会控制物质的其他特性，例如催化化学反应或导电的能力。因此，当研究人员检测到物质的吸收度变化时，他们明白自己实际上正在研究一种全新的材料。如果你想了解这一发现的重要性，你可以想象元素周期表突然有了第三个维度。元素的性质不仅受到电子层的数量和外层电子数的影响，而且在纳米水平上，尺寸也很重要。一位想要开发新材料的化学家因此有了另一个因素需要考虑——当然，这也激发了研究人员的想象力！只有一个问题。布鲁斯用来制造非粒子的方法通常会导致质量不可预测。量子点是微小的晶体（图 2），当时生产出的量子点通常存在缺陷。它们的大小也各不相同。不过可以通过控制晶体的形成方式，使颗粒具有一个相对固定的平均尺寸，但如果研究人员希望溶液中所有颗粒的尺寸大致相同，就必须在制成后对它们进行分类。这是一个艰难的过程，会阻碍研究的发展。芒吉巴文迪彻底改变了量子点的生产这是今年第三位诺贝尔化学奖获得者决定要解决的问题。芒吉巴文迪（Moungi Bawendi）于 1988 年在路易斯布鲁斯（Louis E. Brus）实验室开始了博士后工作，这所实验室中正在进行大量尝试，以改进用于生产量子点的方法。研究者使用一系列溶剂、温度和技术，对多种物质进行实验，尝试形成组织良好的纳米晶体。他们得到的晶体的确在变得更好，但仍然不够好。然而，巴文迪并没有放弃。他随后开始在美国麻省理工学院 (MIT) 担任研究负责人，并继续努力生产更高质量的纳米粒子。重大突破出现在 1993 年，当时研究小组将形成纳米晶体的物质注入经过加热且精心选择的溶剂中。他们注入了恰好形成饱和溶液所需的物质量，从而导致微小的晶体胚胎开始同时形成（图 4）。然后，通过动态改变溶液的温度，巴文迪和研究团队成功使特定尺寸的纳米晶体生长了出来，在这个过程中，溶剂可以令晶体的表面变得光滑且均匀。巴文迪生产的纳米晶体几乎是完美的，并产生了独特的量子效应。同样，由于生产方法很简单，因此这带来了革命性的突破——越来越多的化学家开始研究纳米技术，并开始研究量子点的独特性质。图 4.1.巴文迪将能形成硒化镉的物质注入加热的溶剂中，加入的量足以使针周围的溶剂饱和。2.硒化镉的小晶体立即形成，但由于注射冷却了溶剂，晶体会停止形成。3.当巴文迪提高溶剂温度时，晶体再次开始生长。这种情况持续的时间越长，晶体就会变得越大。量子点的发光特性有了商业用途三十年后的现在，量子点已成为纳米技术的重要工具，并出现在商业化的产品中。研究人员主要利用量子点来产生彩色光。如果用蓝光照射量子点，它们会吸收光并发出一种不同的颜色。通过改变粒子的大小，我们可以精准确定它们的发光颜色（图 3）。量子点的发光特性被用于基于QLED技术的计算机和电视屏幕，其中Q代表量子点。在这些屏幕中，蓝光是使用获得 2014 年诺贝尔物理学奖的节能二极管产生的。量子点被用来改变部分蓝光的颜色，将其转换为红色或绿色。这让电视屏幕获得了显示图像所需的三基色光。一些LED灯也使用了量子点来调节二极管的冷光。这让光线既能像日光一样充满活力，又能使其像暗淡灯泡发出的暖光一样平静。量子点发出的光也可用于生物化学和医学。生物化学家将用量子点与生化分子相连接，以便绘制细胞和器官图谱。医生已经开始研究用量子点追踪体内肿瘤组织的潜在效用。化学家利用量子点的催化特性来驱动化学反应。量子点正在将其对人类的利益最大化，而我们才刚刚开始探索它的潜力。研究人员相信，未来量子点可以为柔性电子产品、微型传感器、更纤薄的太阳能电池以及加密量子通信做出贡献。有一点是肯定的——关于令人惊奇的量子现象，还有很多未知须要探索。因此，如果 12 岁的多萝西正在寻找冒险，纳米世界可以提供很多东西。

p　　将来的一天，只要拿着手机轻轻一扫，就能知道想买的苹果是酸还是甜，喝的牛奶安不安全，食用的油是不是地沟油 戴上智能手表就能检测皮肤血氧含量，也可以检测是否罹患皮肤癌等疾病……br//pp　　这不是天方夜谭，只需一个小小的量子点光谱仪就可轻松搞定。而研发这一“神器”的，正是清华大学电子工程系副教授、博士生导师鲍捷(见上图，资料照片)。/pp　　2013年底从美国麻省理工学院(MIT)学成归国的鲍捷，是学生眼中“最帅的导师”。作为“青年千人计划”学者，鲍捷以学报国，在光谱仪研发领域采撷了最亮的那颗星，成功研发量子点光谱仪，宣告全民光谱照相时代的到来。/pp　strong　量子点光谱仪“惊艳”世界/strong/pp　　2015年7月，一篇名为《基于胶体量子点纳米材料的光谱仪》的论文在《自然》杂志上发表，学界因之轰动。“这是人们第一次在光谱仪中使用量子点”“科学领域上最重要的科研工具之一现在适合于你的手机”……国外媒体的纷纷点赞，显示出量子点光谱仪的非同寻常。/pp　　论文的第一作者正是鲍捷。同期《自然》杂志还刊登了美国西北太平洋国家实验室科学家的专题评论文章，文章说“这种优雅地将纳米技术与数码相机影像传感器集成的方法克服了多种现有技术所面临的困难”“将来，我们可能会看到微小的、高分辨率的量子点光谱仪在太空任务或家居智能传感器和物联网中被应用”……/pp　　量子点光谱仪的横空出世，是量子点和光谱仪的首次成功结合，开辟了人类使用纳米材料的新方向，具有里程碑意义。/pp　　光谱是物质的一种“指纹”，是其与生俱来的“身份证”，而作为分辨光波的神奇“眼睛”，光谱仪能准确测量物质“指纹”，从而“一眼洞穿”其化学成分和相对含量。然而，传统光谱仪受光栅分光的物理原理限制，在实际中难以做到小于一本字典的大小，且造价昂贵，高达数万美元。因此，传统光谱仪一直是实验室的“专宠”，难以进入寻常百姓家。/pp　　想要改变，就必须突破。鲍捷上下求索，终于找到纳米材料领域的“新贵”——量子点。量子点具有吸光特性，将其缩小至人头发丝万分之一尺度时，量子点的颜色就会随尺寸改变而改变。“量子点是能在非常宽的颜色范围内连续地获得不同颜色的材料，基于这一独特性，它是用来辨别物质颜色或光谱的绝佳材选。”鲍捷说。/pp　　量子点光谱仪利用不同量子点材料的光学性质，取代了光栅的光学过滤作用，具有新型传感器小、巧、轻的特点。甫一问世，量子点光谱仪就“优雅地”惊艳了世界，其广阔的应用前景也让人充满期待。/ppstrong　　瞄准交叉领域闯新路/strong/pp　　成功，从来不是偶然的。跨学科的专业背景和长时间的观察思考，让鲍捷有了“后发优势”，他打破常规思维，以超然的研究视角，蹚出了一条新路。/pp　　本科就读于清华大学化学系，博士阶段深造于美国布朗大学，5年内学过材料、光谱等4个专业，博士后则在MIT从事飞秒激光研究，短短10余年间鲍捷在化学、生物、物理等多个学科方向游刃有余，学术视野空前开阔，最终“脑洞大开”，将量子点和光谱仪两种本来“八竿子打不着”的东西巧妙地结合在了一起。“我们站在巨人肩膀上做科研，虽然巨人难以超越，但巨人和巨人间有可供探索的广阔空间，交叉学科就是搭在巨人间的桥梁。”鲍捷说。/pp　　发现真问题，才有新突破。在美国求学时，细心的鲍捷发现很多人爱晒太阳，但紫外线太强可能诱发皮肤癌，这让不少人饱受折磨。“要是有一个能测量不同波长紫外线含量和强度的小型光谱仪就好了。”鲍捷暗自琢磨。/pp　　就这样，制作小型光谱仪的想法在鲍捷心里扎下了根，他推开一扇门，洞见了一个更辽阔的世界。/pp　　苦心人，天不负。量子点光谱仪终于从理念变成现实。/ppstrong　　怀揣一颗报国之心/strong/pp　　海外负笈，以学报国，这在鲍捷看来是水到渠成的事。/pp　　“他身上有老一辈科学家的影子，怀着一颗朴素的爱国心。”课题组科研助理张大伟和鲍捷接触很多，这份情怀让他感同身受。早在回国前，鲍捷就在量子点光谱仪的研发上获得突破。“凭借这一颠覆性技术，他想要留在美国任教绝非难事。”张大伟说。/pp　　然而，鲍捷却并没想要留下来。当清华大学前校长2013年在美国问他是否愿意回国工作时，鲍捷没有丝毫犹豫，满口答应。/pp　　回到母校工作，实现了鲍捷的夙愿。归国之初，实验室只是几间空荡荡的小屋，一件像样的设备都没有，鲍捷一一购置，慢慢搭建起了完备的实验研究平台。在这里，他一次次地试验，成功研制出了量子点光谱仪，开了量子点和光谱仪巧妙结合的先河。现在，他又瞄准前沿领域，朝智能制造、智能传感、智能分析等领域迈进，准备攀登新的高峰。/pp　　“不要把自己局限在一个领域，做研究眼界一定要宽。”这是鲍捷常对学生说的一句话。他鼓励学生广泛涉猎，并注重培养他们的自主科研能力。/pp　　鲍捷对学生严格，“在算法精度上，别人能做到的，你们也要做到” 但他也很宽和，“我们实验室从不打卡，鲍老师不会强迫我们，如果状态不好，出去玩一天他也不介意。”博士研究生李思敏说。/pp　　实验室的一面墙上，贴着鲍捷跟学生们的不少合影。照片上，他总是站在最外侧，也像个学生一样，笑得灿烂。/pp style="text-align: center "strong创新，需植根于脚下土壤/strong/pp style="text-align: center "strong鲍 捷/strong/pp style="text-align: center "《 人民日报 》( 2017年08月28日 06 版)/pp　　“科学没有国界，但科学家有自己的祖国。”今天，中国正行进在实现中华民族伟大复兴中国梦的道路上，对人才的渴求前所未有，对人才的重视也前所未有，这为广大知识分子提供了难得的实现理想、报效国家的良机 同时，“千人计划”“万人计划”等人才计划的相继落地，更是为知识分子施展才华、干事创业创造了良好的平台和有利条件。/pp　　遵从来自内心的呼唤，我于2013年底从美国留学归国，回到清华大学任教。科学报国离不开科研成果，而成果的取得则要植根于脚下的土壤和实际的需求。著名科学家钱伟长说：国家的需要就是我的专业。这也启示我们，科学家瞄准实际需求、结合国家所需做研究是最有价值和意义的，这样才能不忘初心、行稳致远。/pp　　在不断实践探索中我认识到，只有将国外的优秀理念和本土实际有效结合才能获得最好结果。在科研工作中，不断加强与国内专家团队的合作，向本土实践家们虚心学习，取长补短、积累经验，这样才能让我们少走弯路。/pp　　惟创新者进，惟创新者强，惟创新者胜。国家鼓励和支持创新，为广大知识分子提供了无限机遇。今天，党和国家对于创新和科技成果转化的高度重视，以及一系列大胆的改革措施，将会免除广大科研人才的后顾之忧，让我国科研迎来又一个春天。/ppbr//p

纳米材料著名供应商-德国PlasmaChem公司最近推出了一系列新产品：1. ZnCdSeS 复合量子点，低镉，疏水复合量子点是最新一代低镉、高发光半导体纳米晶，稳定性及与复合物的相容性有了较大的提高。表面用疏水性有机分子修饰。很容易溶解于己烷、庚烷.、甲苯、氯仿、四氢呋喃和吡啶等溶剂中。直径约6 nm。干粉包装 2. Zn-Cu-In-S/ZnS 量子点, 无镉, 疏水无毒发光量子点 Zn-Cd-In-S / ZnS (核/壳) ，表面经过疏水有机配体修饰。很容易溶解于己烷、庚烷.、甲苯、氯仿、四氢呋喃和吡啶等溶剂中。不溶于水、乙醇和醚。发射峰宽度（FWHM）约100 nm。大斯托克跃迁（约120 nm）,典型量子产量40-70%。颗粒直径约4-5 nm。干粉包装。 3. ZnO 量子点, 干粉, 亲水性无毒ZnO 纳米晶体掺入镁，很容易分散于水中。表面用 -OH and -COOH 修饰。发光峰宽最大激发 320-370 nm. 颗粒大小: 2-3 nm 4. 石墨烯-纳米片，干粉厚度: 1-4 nm颗粒大小: 最大2 &mu m比表面积: 700-800 m² /g纯度: 91 at.%. 其他元素: O 7 at.% N 2 at.% 5. 氮化硼, 六方体BN 纳米粉颗粒分布范围: 100-1000 nm平均颗粒大小: 500± 100 nm比表面积: 23± 3 m2/g纯度: 98,5% 氮含量 55%控制杂质 %: O 1 C 0,1 B2O3 0,1 欢迎联络：北京安唯安实验设备有限公司Beijing AnWeiAn Lab Equipment Co.,Ltd地址:中国北京市海淀区昆明湖南路9号云航大厦4029室邮编:100195电话:+86 10 88132032传真:+86 10 82386759E-mail: info(at)al-tt.com网址: www.al-tt.com 德国PlasmaChem纳米材料中国独家代理商-----碳纳米管、富勒烯、纳米金刚石、纳米石墨、纳米金属、纳米陶瓷、纳米线、量子点、纳米配体、自组装聚甘氨酸。。。。 全部电子版PlasmaChem纳米材料目录：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH102845/

近日，安徽省人民政府印发了《安徽省2023年重点项目清单（第一批）》，国仪量子总部基地“量子科仪谷”项目被列为重点项目A类。图片来源：安徽省人民政府“量子科仪谷” 项目位于高新区孔雀台路和皖水路交口，是国仪量子倾力打造的总部基地，将建设成为集研发、办公、科普、配套等功能为一体的综合型创新基地。量子科仪谷效果图“量子科仪谷”于2022年5月正式开工建设，项目总用地约114亩，建筑面积约28万平方米，整体投入使用后，可容纳近5000人办公，预计产值可达百亿元。“量子科仪谷”作为国仪量子的研发总部，将进一步提升我国量子精密测量与高端科学仪器的产业发展水平。未来，国仪量子将坚持“鼎新革故，行业赋能”的产业发展战略，在核心技术层面始终保持国际领先，聚焦科学仪器行业，实现量子传感技术与多行业、多领域的深度融合，引领我国量子信息产业化发展，为我国高水平科技自立自强持续贡献力量。

随着电子、热电和计算机技术被微型化到纳米级，科学家们们面临着研究所涉及材料的基本特性的挑战：在许多情况下，这些目标太小，无法用光学仪器观察到。美国两家大学的一个研究小组利用尖端电子显微镜和新技术，找到了一种以原子分辨率绘制声子（晶格中的振动）的方法，从而能够更深入地了解热通过量子点的传播方式，量子点是电子元件中的工程纳米结构。为了研究声子是如何被晶体中的缺陷和界面散射的，科学家们在一个透射电子显微镜中使用振动电子能量损失谱仪，研究了硅锗单量子点附近声子的动力学行为。“我们开发了一种新技术，用原子分辨率差分映射声子动量，这使我们能够观察到仅存在于界面附近的非平衡声子。”科学家们解释说：“这项工作标志着该领域取得了重大进展，因为这是我们首次能够提供直接证据，证明扩散反射和镜面反射之间的相互作用在很大程度上取决于原子结构。”根据这位科学家解释的，在原子尺度上，热量在固体材料中以原子波的形式传输，当热量离开热源时，原子波从平衡位置位移。在具有有序原子结构的晶体中，这些波被称为声子。利用硅和锗的合金，联合科学团队能够研究声子在量子点无序环境中、量子点与周围硅的界面中以及量子点纳米结构本身圆顶状结构的行为。另一位科学家说：“我们发现SiGe合金呈现出一种成分无序的结构，阻碍了声子的有效传播，由于硅原子在各自的纯结构中比锗原子靠得更近，合金使硅原子略微拉伸。另外我们发现，由于纳米结构中的应变和合金化效应，量子点中的声子正在软化。软化后的声子能量更少，这意味着每个声子携带的热量更少，从而降低了导热性，振动的软化是热电装置阻碍热量流动的众多机制之一。”大家看到这里可能很懵，这说了半天到底什么意思。总的来说，该项目的关键成果之一是开发了一种新技术，可以用于绘制材料中热载体的方向。“这类似于计算有多少声子在上升或下降，并计算差异，表明它们的主要传播方向，这项技术使我们能够映射界面上声子的反射。”科学家们解释说。电子工程师们已经成功地将电子技术中的结构和组件微型化到了这样的程度，现在它们的尺寸已经降到了十亿分之一米左右，远小于可见光的波长，因此这些结构对于光学技术来说是看不见的。“纳米工程的进步已经超过了电子显微镜和光谱学的进步，但通过这项研究，我们正在开始赶超的过程。”一位研究生参与者表示。从这项研究中受益的一个领域是热电材料系统——将热量转化为电能的材料系统。“热电技术领域的科学家致力于设计阻碍热传输或促进电荷流动的材料，而原子水平上关于热如何通过嵌入有缺陷、缺陷和瑕疵的固体传递的知识将有助于这一探索。”本次科学研究的负责人表示。

生物传感器在医学领域也发挥着越来越大的作用。临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据。　　在国家自然科学基金和中科院理化所青年基金项目的支持下，中科院理化所研究员唐芳琼领导的研究团队采用超声雾化法制备的水溶性碲化镉量子点，实现对乳酸脱氢酶(LDH)活性的定性定量分析。　　日前，该研究成果在国际电化学与传感器领域影响因子排名第一的杂志《生物传感器与生物电子学》(Biosensors and Bioelectronics)上相继发表两篇论文。相关工作已申请两项中国发明专利。　　拓展纳米材料的应用　　生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和致变物质。　　乳酸脱氢酶存在于机体所有组织细胞的胞质内，并有着一定的正常范围。机体代谢异常，出现病变会引起乳酸脱氢酶含量的变化。因此，开发新型、快速、高效检测乳酸脱氢酶活性水平的方法可实现对常见的心肌炎、心肌梗塞、肾病、肝癌等疾病的早期诊断和实时调控。　　“而将具有激发范围宽，发射光谱窄，荧光量子产率高，可通过调节尺寸、组成或结构来调节发射峰位，实现多色发光等优异光学特性的量子点用于开发信息容量大、响应速度快、灵敏度高、操作简便、成本低廉、便于携带的生物传感器，成为光学生物传感器研究的新热点。” 该团队成员之一、中科院理化所研究员任湘菱说。　　唐芳琼领导的纳米材料可控制备与应用研究室一直致力于用价廉、可工程化的方法制备量子点并应用于生化检测，采用超声雾化法制备的水溶性碲化镉(CdTe)量子点实现对乳酸脱氢酶活性的定性定量分析。她们制备的新型生物传感器的检测范围为150~1500U/L，最低检测限达75U/L。　　研究人员进而把这种方法拓展到血清中葡萄糖浓度的测定，并初步实现了对这两种物质的同时检测。她们构建的新型光学生物传感器与其他的量子点光学生物传感器(例如基于荧光能量共振转移的光学生物传感器)相比，不需要昂贵而复杂的生化分子修饰，方法简单快捷，操作易于掌握。此方法拓展了纳米材料的应用领域，为开拓生化检测分析的新途径提供了可供参考的实验和理论基础，促进了酶生物传感器的实用化发展。　　“我们的目标是家庭化”　　“通常用于检测乳酸脱氢酶的传感器制备过程复杂，需要一些复杂的分子，或者酶自身需要修饰，这样就需要一两天甚至更长的时间。而且需要经过专门培训的人来操作。我们这个检测体系可以用一些商品化的酶，医疗或生物制品市场可以买到的酶直接进行配制，配制过程一般只需要半个小时。”任湘菱说。　　大多数人会每年进行一次体检，医生们却认为这个时间过长。不过，去医院体检是件很麻烦的事。通常要排队、挂号、检查要花上大半天时间，过几天还要再去取结果。很多人嫌麻烦，就不去体检了。　　“如果我们能做到检测设备微型化，检测方法很容易掌握，而且能快速检测。自己在家隔几个月检查一下，既能发现疾病隐患，又方便了居民。” 任湘菱说，“现在家庭自己检查血压、血糖的多些，检测其他指标的比较少，主要是因为检测设备技术复杂，我们的目标就是实现体检家庭化。”　　该团队用这一新技术作了血清检测，其结果和医院常用的设备对比十分吻合。　　“要实现体检家庭化，还有大量的工作要做。未来我们会考虑做成试剂盒或试纸，和现在的血糖仪一样是用试纸插进去读数。”任湘菱说，“这属于光学传感器，我们主要的研究领域是生物试剂和纳米材料，因此也希望能和进行光传感、光器件研究的人合作，将比色转化成读数。”

PbS胶体量子点(CQDs)由于具有带隙宽、可调谐以及溶液可加工性强等优点，已广泛应用于气体传感、太阳能电池、红外成像、光电探测以及片上光源的集成光子器件中。然而PbS CQDs普遍存在发射效率低和辐射方向性差的问题，因此科学家们尝试利用半导体等离子体纳米晶或全介质纳米谐振腔来增强PbS CQDs的近红外荧光发射，使其成为更高效、更快的量子发射器。但是普遍存在光场限制能力弱，Q值低的问题。 　　针对这些问题，近日中国科学院上海微系统与信息技术研究所武爱民研究员团队与浙江大学金毅副教授团队合作在Nanophotonics发表最新文章，将BIC引入到PbS CQDs发光应用中，提出了一种支持对称保护BIC的硅超表面通过激发相邻的高Q泄露导波模式来增强室温下PbS CQDs的自发辐射的方案，实现了硅基量子点近红外片上发光。 　　该超表面由亚波长尺寸的硅棒周期性排列而成(图1a)，结构具有各向异性且与偏振相关。其反射率是入射光角度和波长的函数，当TE偏振激发时，对称保护型BIC会出现在布里渊区的Γ点处(图1b)，对应的电场分布如图1c所示。基于洛伦兹拟合方法分别从仿真和实验反射谱中提取出Q值曲线(图1d)，两者趋势一致，且激发的高Q导波模式可以有效的增强量子点的发射。由图1e的实验结果可以看出，制备的超表面使包覆的PbS CQDs的荧光辐射显著增强，并且在波长1408 nm处的发射峰的Q值高达251。随后，研究人员利用实验简单演示了该系统的传感潜力。将稀疏度为4/1000 μm2，直径为60 nm的Au纳米颗粒随机分布在涂敷PbS CQDs的超表面顶部，通过与不含Au纳米颗粒的样品相比，PL峰从1408 nm红移到1410 nm，且强度出现明显的增强(图1f)。该研究成果不仅为实现支持BIC的介电超表面可以有效地增强PbS CQDs的发射性能提供了设计指导与实验验证，并为PbS CQDs在硅基片上光源和集成传感器等各种实际应用提供了新思路。 　　研究团队提出的基于BIC超表面增强PbS CQDs近红外发射的新方法，是一种普适、高效、功能广泛的方法。该方法证明了BIC系统在荧光增强方面的有效性，它是提高PbS胶体量子点在光源和荧光传感器等各种应用中的最好选择之一。通过提高制造精度或者合并的BIC可以进一步提高增强效果，并且可以通过改变几何尺寸来调节工作波长。这种无源超表面结构可以在商用CMOS平台上以简单的工艺制造，因此它可以结合到硅光子集成中，用于硅基片上光源以及荧光传感器，在多通道通信，近场传感和红外成像等领域都有广阔的应用前景。 　　相关成果以“Fluorescence Enhancement of PbS Colloidal Quantum Dots from Silicon Metasurfaces Sustaining Bound States in the Continuum”为题在线发表在Nanophotonics (https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0195)上。 　　这项工作的作者包括 Li Liu, Ruxue Wang, Yuwei Sun, Yi Jin*, Aimin Wu*，其中上海微系统所博士研究生刘丽为该文章的第一作者，浙江大学金毅副教授和上海微系统所武爱民研究员为论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划项目(2021YFB2206502)、中科院青促会(2021232)、上海市学术带头人项目(22XD1404300)和国家自然科学基金委(61875174，62275259)的支持。图1：(a)硅超表面的结构示意图；(b)TE偏振激发时，反射率是入射角和入射波长的函数。在Γ处形成了一个对称保护型BIC，对应波长为1391 nm；(c)对称保护型BIC的Ey电场分布。灰线表示结构边界；(d)与BIC相邻的泄露导波模式在同一能带上的Q值随入射角度的变化。虚线为实验结果，实线为仿真结果。插图为硅超表面的SEM图像；(e)在同一块SOI衬底表面旋涂PbS CQDs，超表面结构区域(黑色曲线)和无结构区域(红色曲线)的实测PL谱。插图为顶部涂敷PbS CQDs的超表面的SEM图像；(f)在超表面结构上引入随机Au纳米颗粒前(红色曲线)和后(黑色曲线)的实测PL谱。插图为表面随机分布Au纳米颗粒的顶部涂敷PbS CQDs的超表面的SEM图像。

发布人： 发布时间：2023-10-11 文字： 大 中 小10月12日——诺贝尔化学奖-胶体量子点：红外成像芯片&量子点发光技术，更有多重直播福利，欢迎预约！“名师讲堂”系列专题会聚焦分子光谱、光电探测、高光谱与影像、超快光谱等前沿技术在材料、生医、能源科学等热门领域的前沿发展与应用，卓立汉光邀请行业内专家学者以网络在线形式进行学术探讨与交流，为光电技术科研工作者建立全新、高效、开放的学习与交流平台。2023年诺贝尔化学奖得主为美国麻省理工学院教授蒙吉G巴文迪、美国哥伦比亚大学教授路易斯E布鲁斯和美国纳米晶体技术公司前首席科学家阿列克谢伊基莫夫，以表彰他们在量子点的发现和发展方面的贡献。为了与大家共同感受诺贝尔化学奖-量子点的科技魅力，本期卓立汉光特别隆重邀请到了北京理工大学—唐鑫教授和中国海洋大学材料科学与工程学院—夏呈辉副教授，与大家分享在胶体量子点研究领域的经验和心得体会，希望本次讲座能够为您的科学研究带来灵感与助力，推动研究的进展，精彩不容错过，赶快报名开启学习之旅吧~43期名师讲堂马上就要开讲啦！直播预约1.关注“卓立汉光”、“TEO先锋科技”视频号，预约本次直播。2.通过扫描下方二维码，预约本场直播。直播福利1.凡在线观看直播的观众，均可以参加“直播互动抽奖”活动!奖品丰富，欢迎大家踊跃报名。2.扫客服二维码，加入“名师讲堂交流群”，与各位老师交流学习，获取*新光电知识，看直播，长人脉。直播矩阵本期直播，除了在“卓立汉光”平台直播外，我们也将通过“先锋科技”视频号同步直播，同时欢迎大家在卓立汉光直播间查看更多我们的讲座视频哦~希望通过名师讲堂，我们可以共同学习光电新知识，10月12日，让我们不见不散！

昨晚，央视《新闻联播》播出了“国家高新区多举措积极增动能促发展"重点介绍了国仪量子在推动量子科技产业化与国产*端科学仪器自立自强的科技创新工作视频来源：新闻联播报道指出：这是11月底刚刚发布的我国*台分辨率达到2.5纳米的商用钨灯丝扫描电子显微镜（国仪量子钨灯丝扫描电镜SEM3300），这一成果的出现依托于中国科技大学的成果转化团队。钨灯丝扫描电镜SEM3300为了能够将关键核心技术从实验室走向各行各业，实现批量生产，一个以量子精密测量技术为核心的科学仪器产业化聚集示范基地——量子科仪谷（国仪量子总部基地）正在加紧建设。量子科仪谷建设效果图安徽省量子精密测量制造业创新中心负责人、国仪量子董事长贺羽在接受采访时说：“落实中央经济工作会议提出的突出企业科技创新主体地位，我们整合优势资源，加快推动量子信息技术产业化，项目（量子科仪谷）建成后，目标将带动产业链上下游发展，实现数十亿产值。"图片来源：新闻联播

英国《新科学家》周刊9月10日发表题为《量子电池：可能提供即时电力的奇怪科技》的文章，作者是乔恩卡特赖特。全文摘编如下：我们中的一些人对智能手机、平板电脑和其他数字技术是那么依赖，以至于当它们没电以后，我们的生活几乎停摆。哪怕只有30分钟，我们也很可能会为因充电而损失的时间感到悲伤。如果说这看起来像是一种可笑的反应，那么对于为电动汽车提供动力的电池来说，这个问题就确实需要认真对待了。给这些电池充电通常需要几个小时，这成为交通业——全球最大的温室气体排放行业之一——脱碳的主要障碍。现在，量子物理学可以来拯救我们了。利用亚原子粒子的奇怪行为，量子电池的充电速度要比任何普通设备快得多。量子电池的优点是体积越大，表现就越好。尽管这一概念尚处于起步阶段，但最近的实验演示和一些理论上的进步表明，不间断的便携式电源并非遥不可及。理论局限锂离子充电电池目前的霸主地位归功于其相对较高的容量和相对较长的寿命。事实证明，它的充电速度也比竞争对手快，但也不能太快。给锂离子电池充电太快，则锂离子将不可逆转地粘在正极上，这样一来，电池就变得没用了，甚至可能爆炸。因此，使用锂离子技术的电动汽车充电所需时间可能要比给汽油或柴油车加油的时间长得多。英国《新科学家》周刊9月10日一期封面波兰格但斯克大学的罗伯特阿利基和比利时鲁汶大学的马克凡内斯在不到10年前首次正式提出量子电池的概念时，这些实际问题并不是最重要的。作为理论物理学家，他们感兴趣的是，量子电池的基本概念是否能让人理解困扰物理学家几代人的一个更大问题：为什么少量孤立的粒子的行为与可见物体的行为如此不同？量子世界本质上是不稳定的。看不见时——或者恰当地说，任何方法都无法观测到时——一个粒子就不再具有明确的特性，而是处于叠加状态。它还可以与其他孤立粒子协同作用，一个粒子的状态会立即影响其他粒子的状态，甚至是在远距离之外，这种现象叫量子纠缠。对电池科学家来说，涉及热量、能量等有形的大规模特性的经典理论就可以了。从历史上看，这一理论一直是热力学。热力学在描述发动机、热泵、锅炉、电池和其他常见电源的工作原理方面是无与伦比的。热力学成功的关键是它对单个粒子高度不敏感。大多数实用的系统由大量粒子组成，因此在热力学方案中，处理平均值就足够了。然而，近年来，理论家开始批评这一假设。如果将热力学定律应用于具有量子奇异特性的单个粒子，那么热力学定律是否仍然有效？这个问题的答案是否有助于解释量子世界与经典物理世界之间的过渡？要想找到答案，最好的办法莫过于一种暂时储存能量的设备。对阿利基和凡内斯来说，电池是回答这些问题的潜在试验场，于是两人着手设计一种基于量子规则的电池。优势独特从表面上看，量子电池与普通电池没有太大区别。它由一些更喜欢在低能量状态下存在的“东西”组成，但在需要为某些东西提供动力时也可以被强行置于高能量状态。在量子电池中，这种“东西”就是量子比特。量子比特指的是任何可以同时存在于不同状态叠加中的东西，比如电子、离子、分子或光脉冲。从理论上讲，量子比特由什么构成的并不重要。2013年，阿利基和凡内斯计算得出，随着量子电池中越来越多的量子比特被纠缠在一起，从量子电池中提取的能量将接近热力学极限。换句话说，他们发现，纠缠让电池的容量可以达到经典理论的最大值。事实上，量子物理学甚至可能无法提供阿利基和凡内斯认为可能的热力学极限。2013年晚些时候，西班牙巴塞罗那光子科学研究所的卡伦霍夫汉尼斯扬和其他人证明，只要多次提取，可以从没有纠缠的量子电池中提取同样数量的能量。不过，阿利基和凡内斯的研究的确引发了一种猜疑，即无论热力学极限是什么，量子电池都可能比普通电池有优势。2015年，包括澳大利亚维多利亚州莫纳什大学的卡万莫迪在内的理论家意识到，虽然量子纠缠可能无法提高电池的总提取能量，但它可以提高某种或许更有用的东西：电池的充电速度。为什么会这样，我们要深入探究量子行为的奥秘。普通电池充电时，它实际上必须从低能量状态走向高能量状态。想象就像一个骑自行车的人，沿着一条直线从A到B。能量的缺口越大，行程越长，充电时间就越长。在仅有一个量子比特的量子电池中，情况也是如此。但是，将第二个量子比特与第一个量子比特纠缠在一起，捷径就出现了。两个量子比特协同工作，就能够以更快的速度、更平缓地到达高能量状态。事情不止于此。每增加一个量子比特，原有行程的迂回线路就会被去掉，更快的线路就有可能出现。事实上，莫迪及其同事说，量子电池的充电时间与纠缠量子比特的数量成反比。也就是电池越大，充电就越快。前景可期今年1月，澳大利亚阿德莱德大学的詹姆斯郭和其他人证明了量子电池在实践中的优势。根据意大利技术研究院物理学家绘制的一份蓝图，他们制造了简化版的量子电池，由一种有机染料的分子而不是量子比特组成，虽然不能完全纠缠，但分子都一样，且具有低能量和高能量状态。实验者将这些分子置于两个小镜子之间的一个洞中，并向其发射激光。其结果是，光吸收速度——实际上是整个电池的一次充电——远远超过了每个分子吸收光时可能达到的速度。这个实验有大约100亿个分子，对于量子系统来说数量太多了，但充电能力仅相当于一枚电池的十亿分之一。由于量子充电的优势取决于该系统能否与周围环境隔离，因此包括阿利基和莫迪在内的理论家们怀疑该系统能否有可能扩展至实际用途。莫迪说：“对我们来说，这一理论只是探索时间和能源等基本概念的一个有趣的游乐场。我认为不会有技术上的应用。”其他人则比较乐观，强调隔离问题影响的是所有量子技术，而不仅仅只针对电池。4月，韩国基础科学研究所的科学家开展了进一步的理论研究，研究了量子电池可能的最大充电速度。他们指出，詹姆斯郭及其同事在实验中储存的能量密度与普通铅酸蓄电池的能量密度大致相当。他们说，从理论上讲，未来的量子电池充电速度极快，以至于充电操作几乎无法察觉。对电动汽车来说，我们可以想象一个免下车充电站，一个你甚至不需要停车的充电站。然而，这样的未来可能还很遥远。

短波红外和中波红外波段是两个重要的大气窗口。在该波段范围内，碲化汞胶体量子点表现出良好的光响应。此外，胶体量子点具有易于液相加工制备以及与硅基工艺兼容等优势，因此有望显著降低红外光电探测器的成本。然而，目前胶体量子点红外光电探测器在比探测率、响应度等核心性能方面与传统块体半导体红外探测器相比仍存在一定差距。有效地调控掺杂和迁移率等输运性质是提升量子点红外光电探测器性能的关键。据麦姆斯咨询报道，近期，北京理工大学光电学院和北京理工大学长三角研究院的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“高载流子迁移率胶体量子点红外探测器”为主题的文章。该文章第一作者为薛晓梦，通讯作者为陈梦璐和郝群。在本项工作中，采用混相配体交换的方法将载流子迁移率提升，并且实现了N型、本征型、P型等多种掺杂类型的调控。在此基础之上，进一步研究了输运性质对探测器性能的影响。与光导型探测器相比，光伏型探测器不需要额外施加偏置电压，没有散粒噪声，拥有更高的理论灵敏度，因此是本项工作的研究重点。同时，使用高载流子迁移率的本征型碲化汞量子点薄膜制备了短波及中波红外光伏型光电探测器。实验过程材料的合成：Te前驱体的制备在氮气环境下，称量1.276 g（1 mmol）碲颗粒置于玻璃瓶中，并加入10 ml的三正辛基膦（TOP）中，均匀搅拌至溶解，得到透明浅黄色的溶液，即为TOP Te溶液。碲化汞胶体量子点的合成在氮气环境下，称量0.1088 g（0.4 mmol，氮气环境下储存）氯化汞粉末置于玻璃瓶中，并加入16 ml油胺（OAM），均匀搅拌并加热至氯化汞粉末全部溶解。本工作中合成短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的反应温度分别为65℃和95℃。使用移液枪取0.4 mL的TOP Te溶液，快速注入到溶于油胺的氯化汞溶液中，反应时间分别为4 min和6 min。反应结束后加入20 ml无水四氯乙烯（TCE）作为淬火溶液。碲化银纳米晶体颗粒的合成在氮气环境下，称量0.068 g（0.4 mmol）硝酸，并加入1 mL油酸（OA）和10 mL油胺（OAM）中，均匀搅拌30 min。溶解后，注入1 mL TOP，快速加热至160℃并持续30-45 min。然后向反应溶液中注入0.2 mL TOP Te（0.2 mmol），反应时间为10 min。碲化汞胶体量子点的混相配体交换混相配体交换过程包括液相配体交换和固相配体交换。选择溴化双十二烷基二甲基铵（DDAB）作为催化剂，将碲化汞胶体量子点溶在正己烷中，取4 ml混合溶液与160 μL β-巯基乙醇（β-ME）和8 mg DDAB在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中混合。之后向溶液中加入异丙醇（IPA）进行离心，倒掉上清液，将沉淀物重新溶解在60μL DMF中。固相配体交换是在制备量子点薄膜后，用1,2-乙二硫醇（EDT）、盐酸（HCL）和IPA（体积比为1:1:20）溶液对已成膜的碲化汞胶体量子点表面进行处理。碲化汞胶体量子点的掺杂调控在调控碲化汞胶体量子点的掺杂方面，Hg²⁺可以通过表面偶极子稳定量子点中的电子，所以选择汞盐（HgCl₂）来调控量子点的掺杂状态。在液相配体交换结束后，向溶于DMF的碲化汞胶体量子点溶液中加入10 mg HgCl₂得到本征型碲化汞胶体量子点，加入20 mg HgCl₂得到N型碲化汞胶体量子点。材料表征采用混相配体交换的方法不仅可以提高载流子迁移率还可以通过表面偶极子调控碲化汞胶体量子点的掺杂密度。液相配体交换前后中波红外碲化汞胶体量子点的TEM图像如图1（a）所示，可以看到，进行液相配体交换后的碲化汞胶体量子点之间的间距明显减小，排列更加紧密。致密的排列可以提高碲化汞胶体量子点对光的吸收率。混相配体交换后的短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱如图1（b）所示，从图1（b）可以看出，短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收峰分别为5250 cm⁻¹和2700 cm⁻¹。利用场效应晶体管（FET）对碲化汞胶体量子点的迁移率和薄膜的掺杂状态进行测量，把碲化汞胶体量子点沉积在表面有一层薄的SiO₂作为绝缘层的Si基底上，基底两侧的金电极分别作为漏极和源极，Si作为栅极，器件结构如图1（c）所示。通过控制栅极的极性和电压大小，可以使场效应晶体管分别处于截止或导通状态。图1（d）是N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线。利用FET传输曲线的斜率计算了载流子的迁移率μFET。图1 （a）混相配体交换前后碲化汞胶体量子点的透射电镜图；（b）短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱；（c）碲化汞胶体量子点薄膜场效应晶体管测量原理图；（d）在300K时N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线测试结果。分析与讨论碲化汞胶体量子点光电探测器的制备光伏型探测器不需要施加额外的偏置电压，没有散粒噪声，理论上会具有更好的性能，借鉴之前文献中的报告，器件结构设计为Al₂O₃/ITO/HgTe/Ag₂Te/Au，制备方法如下：第一步，在蓝宝石基底上磁控溅射沉积50 nm ITO，ITO的功函数在4.5~4.7 eV之间。第二步，制备约470 nm的本征型碲化汞胶体量子点薄膜。第三步，取50 μL碲化银纳米晶体溶液以3000 r/min转速旋转30 s，然后用HgCl₂/MEOH（10 mmol/L）溶液静置10 s后以3000 r/min转速旋转30 s，重复上述步骤两次。在这里，Ag⁺作为P型掺杂层，与本征型碲化汞胶体量子点层形成P-I异质结。最后，将器件移至蒸发镀膜机中，在真空环境（5×10⁻⁴ Pa）下蒸镀50 nm Au作为顶层的电极。高迁移率光伏型探测器的结构图和横截面扫描电镜图如图2（a）所示。能级图如图2（b）所示。制备好的探测器的面积为0.2 mm × 0.2 mm。图2 （a）高迁移率碲化汞胶体量子点P-I异质结结构示意图及扫描电镜截面图 （b）碲化汞胶体量子点P-I异质结能带图。器件性能表征为了探究高载流子迁移率短波红外和中波红外光伏型探测器的光电特性，我们测试了器件的I-V曲线以及响应光谱。图3（a）和（b）分别是高迁移率短波红外和中波红外器件的I-V特性曲线，可以看到短波红外和中波红外探测器的开路电压分别为140 mV和80 mV，这表明PI结中形成了较强的内建电场。此外，在零偏置下，高迁移率短波红外和中波红外器件的光电流分别为0.27 μA和5.5 μA。图3（d）和（e）分别为1.9 μm（300 K） ~ 2.03 μm（80 K）的短波红外器件的响应光谱和3.5 μm（300 K） ~ 4.2 μm（80 K）的中波红外器件的响应光谱。比探测率D*和响应度R是表征光电探测器性能的重要参数。R是探测器的响应度，用来描述器件光电转换能力的物理量，即输出信号光电流与输入光信号功率之比。图3 （a）300 K时短波红外I-V曲线；（b）80 K时中波红外I-V曲线；（c）短波红外及中波红外器件的比探测率随温度的变化；（d）短波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（e）中波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（f）短波红外和中波红外器件的响应度随温度的变化。图3（e）和（f）给出了探测器的比探测率D*和响应度R随温度的变化。可以看到，短波红外器件在所有被测温度下，D*都可以达到1×10¹¹ Jones以上，中波红外器件在110 K下的D*达到了1.2×10¹¹ Jones。应用此外，本工作验证高载流子迁移率的短波红外和中波红外量子点光电探测器在实际应用，如光谱仪和红外相机。光谱仪实验装置示意图如图4（a）所示，其内部主要是一个迈克尔逊干涉仪。图4（b）和（c）为使用短波红外和中波红外量子点器件探测时有样品和没有样品的光谱响应结果。图4（e）和图4（f）为样品在短波红外和中波红外波段的透过率曲线。对于短波红外波段，选择了CBZ、DDT、BA和TCE这四种样品，它们在可见光下都是透明的，肉眼无法进行区分，但在短波红外的光谱响应和透过率不同。对于中波红外波段，选择了PP和PVC这两个样品。在可见光下它们都是白色的塑料，但在中波红外光谱响应和透过率不同。图4（d）为自制短波红外和中波红外单点相机的扫描成像。，短波相机成像可以给出材质信息。中波红外相机成像则是反应热信息。以烙铁的中波红外成像为例，我们可以清楚地了解烙铁内部的温度分布。在可见光下，硅片呈现不透明的状态使用自制的短波红外相机成像后硅片呈现半透明的状态。图4 （a）利用高载流子迁移率探测器进行响应光谱测量的原理示意图；（b）和（c）分别是在有样品和没有样品两种模式下用自制探测器所探测到的光谱响应；（d）自制短波红外和中波红外光电探测器的单像素扫描成像结果图；（e）TCE、BA、DDT和CBZ在短波红外模式下的透光率，插图为四种样品的可见光图像；（f）PVC和PP在中波红外模式下的透光率，插图为两种样品的可见光图像。结论综上所述，采用混相配体交换的方法，将量子点薄膜中的载流子迁移率提升到了1 cm²/Vs，相较于之前的研究提升了2个量级。并且通过加入汞盐实现了对量子点薄膜的掺杂调控，分别实现了P型、本征型以及N型多种类型的量子点薄膜。同时，基于本征型高迁移率量子点制备了短波红外和中波红外波段的光伏型光电探测器。测试结果表明，提升量子点的输运性质，有效的提升了探测器的响应率、比探测率等核心性能，并且实现了光谱仪和红外相机等应用。本项工作促进了低成本、高性能量子点红外光电探测器的发展。这项研究获得国家自然科学基金（NSFC No.U22A2081、No.62105022）、中国科学技术协会青年托举工程（No.YESS20210142）和北京市科技新星计划（No.Z211100002121069）的资助和支持。论文链接：https://link.cnki.net/urlid/31. 1 252.o4.20230925.0923.016

近日，大连化物所光电材料动力学研究组 (1121组) 吴凯丰研究员与杜骏副研究员团队在量子点—有机分子能量传递机制与应用的研究中取得新进展，采用低毒性的CuInSe2量子点结合并四苯分子，实现了该类杂化体系在近红外波段的热延迟发光。研究团队前期对量子点—有机分子的三线态能量转移（TET）机制研究表明，通过提升量子点与分子间的波函数交叠，在较低能量转移驱动力的条件下，仍可获得较高的TET效率。根据化学热力学平衡，在这种情况下，从分子三线态回到量子点激子态的吸热反向传能（rTET）速率也较快。当rTET速率远大于三线态本身衰减速率时，大多数三线态都会重新回到量子点激子态辐射出延迟发光（TADPL），原理上类似于有机分子中的热活化延迟荧光现象（TADF）。团队前期也观测到可见波段的TADPL（ACS Energy Lett.，2021），并揭示了其熵调控机制（JPCL，2021）。近红外光在生物成像、光纤通讯、国防安全等诸多领域具有重要意义。基于量子点—有机分子杂化体系的近红外TADPL迄今未见报道，其根本难点在于有机分子的能隙定则：能量越低的激发态，其非辐射衰减速率一般越快。这就要求rTET的速率足够快，才能与之有效竞争。针对该难题，团队通过同时优化量子点和三线态受体分子的手段，采用低毒CuInSe2-并四苯的体系，观测到近红外波段（约900nm）的TADPL。研究发现，在室温下TADPL寿命达到60微秒，相比于CuInSe2量子点激子态的寿命提升了3个数量级。得益于量子点本身高达40%的发光效率，TADPL的量子效率可达9%。这些参数可媲美可见光波段的TADPL体系。得益于CuInSe2量子点无重金属的优势，该体系相比传统的铅基近红外量子点可能具有更好的应用前景。吴凯丰团队近年来致力于量子点与有机分子间的电荷/能量转移动力学研究：揭示了量子点与有机分子电荷转移中的累积电荷效应（JACS，2018；JACS，2018），并在单电荷转移体系中观测到Marcus反转区间（Nat. Commun.，2021）；揭示了量子点尺寸和分子构型对三线态传能的影响及其物理机制（JACS，2019；Angew，2020）；建立了电荷转移介导三线态传能的各类新机制（Nat. Commun.，2020；JACS，2020；Nat. Commun.，2021），并阐明了电子自旋在其中起到的关键角色（JACS，2020；Chem，2022）；面向实际应用开发了低毒性的CuInS2、InP和ZnSe等量子点作为各波段的三线态敏化剂（JACS，2019；JACS，2020；ACS Energy Lett.，2022）；探索了这些电荷/能量转移机制在光催化合成中的新型应用（Chem，2021；Angew，2022；Angew，2022）。上述最新工作以“Thermally Activated Delayed Near-Infrared Photoluminescence from Functionalized Lead-Free Nanocrystals”为题，发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，并被选为VIP（Very Important Paper）文章。该工作的第一作者是大连化物所1121组博士后何山。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的资助。

硅基光电子集成芯片以成熟稳定的CMOS工艺为基础，将传统光学系统所需的巨量功能器件高密度集成在同一芯片上，提升芯片的信息传输和处理能力，可广泛应用于超大数据中心、5G/6G、物联网、超级计算机、人工智能等新兴领域。硅(Si)材料发光效率低，因此将发光效率高的III-V族半导体材料如砷化镓(GaAs)外延在CMOS兼容Si基衬底上，并外延和制备激光器被公认为最优的片上光源方案。Si与GaAs材料间存在大的晶格失配、极性失配和热膨胀系数失配等问题，因而在与CMOS兼容的无偏角Si衬底上研制高性能硅基外延激光器需要解决一系列关键的科学与技术难点。 　　近期，中国科学院半导体研究所材料科学重点实验室杨涛与杨晓光研究团队，在硅基外延量子点激光器及其掺杂调控方面取得重要进展。该团队采用分子束外延技术，在缓冲层总厚度2700nm条件下，将硅基GaAs材料缺陷密度降低至106cm-2量级。科研人员采用叠层InAs/GaAs量子点结构作为有源区，并首次提出和将“p型调制掺杂+直接Si掺杂”的分域双掺杂调控技术应用于有源区，研制出可高温工作的低功耗片上光源。室温下，该器件连续输出功率超过70mW，阈值电流比同结构仅p型掺杂激光器降低30%。该器件最高连续工作温度超过115°C，为目前公开报道中与CMOS兼容的无偏角硅基直接外延激光器的最高值。上述成果为实现超低功耗、高温度稳定的高密度硅基光电子集成芯片提供了关键方案和核心光源。 　　6月1日，相关研究成果以Significantly enhanced performance of InAs/GaAs quantum dot lasers on Si(001) via spatially separated co-doping为题，发表在《光学快报》(Optics Express)上。国际半导体行业杂志Semiconductor Today以专栏形式报道并推荐了这一成果。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。图1.硅基外延量子点激光器结构示意及器件前腔面的扫描电子显微图像。图2.采用双掺杂调控的器件与参比器件在不同工作温度下的连续输出P-I曲线，插图为双掺杂调控激光器在115℃、175mA连续电流下的光谱。