硒化镉量子点

1. 文章信息标题：CdTe Quantum Dot/Bi2WO6 Nanosheet Photocatalysts with a Giant Built-In Electric Field for Enhanced Removal of Persistent Organic Pollutants期刊：ACS Applied Nano Materials 20222. 文章链接ScienceDirect专用链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.2c00155或https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsanm.2c001553. 期刊信息期刊名：ACS Applied Nano Materials2021年影响因子：5.097分区信息：中科院2区；JCR分区（Q2）涉及研究方向：工程技术：材料4. 作者信息：杨朋启（首要作者），吴正岩（首要通讯作者）；张嘉（第二通讯）5. 光源型号：北京中教金源CEL HXF300（300 W氙灯，可见光范围）和CEL-NP2000-2A（光密度测量仪）文章简介：近年来，由于各种有机污染物的大量使用导致水体环境污染加剧。针对此类污染，课题组设计并开发了一种高效的碲化镉量子点/钨酸铋纳米片复合半导体材料作为光催化剂用于治理有机污染物。由于低维半导体材料内部存在强的激子效应，严重抑制了电子-空穴的分离和转移。作者通过在材料内部构建内置电场作为内在驱动力，促进激子的解离和光生电子-空穴的转移，从而提高对苯酚、罗丹明B、四环素的降解效率，并且在短时间内基本可以达到完全降解的目的。同时，该催化剂又展现出良好的循环利用率，多次催化后仍可保持较高的光催化效率。因此，该催化剂在水体污染物治理方面展现出一定的应用前景。 我们一致认为本文的创新之处有以下几点：1、首次在2维钨酸铋（200）晶面和碲化镉量子点（111）晶面构建了内置电场。2、实验和DFT理论计算双向证明了内置电场的构建调节了激子效应，促进了激子的解离。3、在水体环境中各种可持续存在的有机物治理方面展现优异的性能。

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员吴凯丰与副研究员朱井义团队在胶体量子点超快光物理研究中再获新进展。团队观测到CsPbI3量子点在红外飞秒脉冲作用下的布洛赫—西格特位移，并揭示了激子效应对相干光学位移的调制作用。上述工作发表在《自然—通讯》上。　　强光场能够对物质的光学跃迁产生调制，例如旋波近似下的光学斯塔克效应和反旋波近似下的布洛赫—西格特位移。由于二者通常同时出现，且前者往往远强于后者，在实验中观测较为纯净的布洛赫—西格特位移颇具挑战。近期，有研究人员报道了单层过渡金属硫化物二维材料中的谷极化布洛赫—西格特位移。然而，低维材料中一般存在着较强的多体相互作用，带来显著的激子效应，这些效应如何影响布洛赫—西格特位移仍然未知。　　研究团队选定铅卤钙钛矿量子点作为观测布洛赫—西格特位移，并研究其中激子效应的模型体系。一方面，旋轨耦合和量子限域效应的结合使得该体系可被近似为具有自旋极化选律的二能级系统；另一方面，相比于衬底敏感的二维材料，胶体量子点能够均匀地分散在低折射率的溶剂中，从而避免了介电无序对激子效应造成的干扰。　　基于此，研究团队以CsPbI3量子点为研究对象，利用圆偏振飞秒瞬态吸收光谱，在室温下成功观测到了其布洛赫—西格特位移。在红外飞秒脉冲作用下，该位移可以高达4毫电子伏特。布洛赫—西格特位移与光学斯塔克位移的比值随着失谐量的增大而增大，定性符合（反）旋波近似的图像。然而，该比值总是大于忽略多体相互作用的准粒子模型所预测的数值。　　为了解释实验和理论值的偏离，研究团队在激子图像下建立了描述布洛赫—西格特位移的新模型，精确再现了实验测量结果。该模型还深刻指出，光学斯塔克效应、双激子光学斯塔克效应以及布洛赫—西格特位移在激子图像下是彼此混合和相互影响的。考虑到量子限域材料普遍具有较强的激子效应，该模型对于正确处理其中的相干光学现象，以及将这些现象应用于光学调制、信息处理和量子材料Floquet工程具有重要启示意义。

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。

国家标准《纳米技术 镉硫族化物胶体量子点表征 紫外-可见吸收光谱法》由TC279（全国纳米技术标准化技术委员会）归口上报及执行，主管部门为中国科学院。 2021-12-31日由国家纳米科学中心 、北京中教金源科技有限公司 等起草的国家标准《纳米技术 镉硫族化物胶体量子点表征 紫外-可见吸收光谱法成功发布，并于2022-07-01起正式实施。 主要起草人为：葛广路 、张东慧 、蔡春水 、王新伟 、庞代文 、朱东亮 、郭海清 、钟海政 、康永印 、赵治强 、张海蓉 、王瑞斌 、黄生宏 、冀代雨 、刘忍肖 、张轩 。北京中教金源科技有限公司是以实验仪器研发和生产的高新技术企业、中关村高新技术企业，注册于北京国际企业孵化中心(IBI)、中关村科技园丰台园科创中心，实资注册1200万元。中教金源产品以实验室仪器、实验光源、光电仪器、光电化学、催化微反、电池储能测试等系统开发为主，服务中国科研和教育事业，产品质量铸金，技术创新立源。 　　中教金源，与全国各高校研究所建立了长久的合作关系。2010年以来，采用中教金源仪器，发表的SCI文章千余篇，尤其在客户化定制及系统搭建上满足了不同的实验需求。部分客户：中国科学院化学研究所、国家纳米中心、北京大学、上海交通大学、南京大学、中国石油大学、重庆大学、华南理工大学、中山大学、武汉大学、兰州大学、中国科学院新疆理化所、哈尔滨工业大学、黑龙江大学等千余家单位、研究院所。　　 产品主要应用：实验室科学研究、化学研究、工业催化、光电化学、光电测试分析、生物研究、催化表征、光化学及光催化、光降解污染物、光降解有害物、光聚合、光电转换、光致变色、太阳能电池研究、电池储能测试等领域。

1. 文章信息标题：Onion-ring-like g-C3N4 modified with Bi3TaO7 quantum dots: A novel 0D/3D S-scheme heterojunction for enhanced photocatalytic hydrogen production under visible light irradiation中文标题： 钽酸铋量子点修饰洋葱圈结构的石墨相氮化碳的S型异质结构的光催化析氢性能 页码：958-968 DOI： 10.1016/j.renene.2021.11.030 2. 期刊信息期刊名：Renewable EnergyISSN： 0960-1481 2022年影响因子： 8.634 分区信息： 中科院一区；JCR分区（Q1） 涉及研究方向： 工程技术，能源与燃料，绿色可持续发展技术 3. 作者信息：第一作者是 施伟龙（江苏科技大学）、孙苇（北华大学）（共同一作）。通讯作者为 林雪（北华大学），郭峰（江苏科技大学），洪远志（北华大学）。4. 光催化活性评价系统型号：北京中教金源（CEL-PAEM-D8，Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.）；气相色谱型号：北京中教金源（GC7920，Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.）。本工作利用SiO2微米球为硬模板和三聚氰胺为前驱体，通过空气化学气相沉积 （CVD）方法合成洋葱圈状结构的g-C3N4（OR-CN），且基于溶剂热法与0D Bi3TaO7量子点（BTO QDs）复合，形成0D BTO QDs/3D OR-CN S型异质结复合物光催化剂，在λ 420 nm的可见光驱动下，讨论了不同质量比的BTO/OR-CN化合物催化剂在2小时内的析氢性能。其中，0.3wt% BTO/OR-CN样品赋予了最佳的光催化析氢速率为4891 μmol g-1，且在420 nm处的表观量子产率（AQY）为4.1%，约是相同条件下的OR-CN的3倍。其增强的光催化活性归因于0D BTO量子点与OR-CN之间形成了S型异质结，有助于促进光生电荷载流子的分散，且增强了可见光吸收强度，此外，通过4次循环实验，发现0D BTO QDs/3D OR-CN S型异质结复合物光催化剂具有优异的稳定性，有应用前景。图1. 制备BTO/OR-CN化合物的实验过程如图1所示，BTO/OR-CN的制备是通过加入0.2 g的OR-CN在BTO的合成过程中，合成的样品命名为xBTO/OR-CN，其中x代表BTO在化合物中的质量比，分别为0.1%，0.3%，0.5%，1.0%。此外，为了比较，合成了块体g-C3N4（B-CN）和0.3%BTO/B-CN复合物，B-CN的合成是通过一步煅烧3 g三聚氰胺，550 °C加热4小时，升温速率为2.3 °C/min，从而得到黄色的产物。0.3% BTO/B-CN复合物的合成类似于0.3% BTO/OR-CN复合物的合成过程，仅仅用B-CN代替OR-CN。图2. BTO、OR-CN和不同复合物的XRD图如图2示，OR-CN、BTO以及不同质量比的BTO/OR-CN化合物（0.1%、0.3%、0.5%和1.0%）的XRD图表征晶体结构和结晶度。对于BTO样品，2θ在28.2°、32.7°、46.9°和58.4°属于Bi3TaO7的（111）、（200）、（220）和（222）面（JCPDS:44-0202）。OR-CN拥有两个衍射峰在13.1°（100）和27.4°（002），分别归因于芳香单元的层内结构堆积基序和层间堆积基序。至于BTO/OR-CN化合物，引入BTO没有影响OR-CN的相结构，当负载0.1%、0.3%、0.5%和1.0%的BTO在OR-CN上，很难发现额外的BTO特征峰，这很可能是因为少量的BTO QDs。图3. OR-CN的SEM图（a）0.3% BTO/OR-CN复合材料的SEM图（b）TEM图（c）HRTEM图（d）和EDX图（e）如图3所示，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析制备的样品的结构和形貌。OR-CN样品呈现了洋葱圈形状，尺寸大约在150-200 nm。负载BTO QDs在OR-CN的表面上形成BTO/OR-CN复合物之后，OR-CN的洋葱圈结构没有改变，但表面变得更粗糙。为了进一步清晰地观察BTO/OR-CN化合物，0.3%BTO/OR-CN的TEM图展现了BTO QDs均匀地分布在OR-CN表面上且与OR-CN底物亲密的接触，这有助于电荷的分散和转移。同时，化合物的高分辨透射图（HRTEM）反映了BTO和OR-CN之间有好的界面接触，其中，晶格间距为0.27 nm与Bi3TaO7晶格面（200）相匹配。展现了成功地构造了0D/3D BTO/OR-CN异质结催化剂。0.3%BTO/OR-CN的EDX图揭示了C，N，Bi，Ta，O元素的存在，进一步证实BTO QDs锚定在OR-CN的表面上。图4. 光催化产氢（a）析氢速率（b）B-CN、OR-CN、及其0.3%化合物光催化产氢（c）析氢速率（d）循环实验（e）循环实验前后的XRD图（f）如图4所示，以300 W的氙灯作为光源（λ 420 nm），研究了制备的样品的光催化析氢活性。结果表明制备的BTO样品几乎不产氢，而OR-CN在2小时辐照过程中产生了相对较低的氢气，约为1736 μmol g-1，这是由于BTO对可见光的吸收较低和电子-空穴的快速重组所致。当耦合OR-CN和BTO之后，光催化析氢活性显著的增强，其中，最佳的0.3% BTO/OR-CN复合材料展现了析氢量大约是4891 μmol g-1，是单组分OR-CN样品的3倍左右。同时，0.3% BTO/OR-CN异质结光催化剂在420 nm波长表现出较高的表观量子产率（AQY）为4.11%。当BTO QDs的加入量从0.1%增加到1.0%时，光催化析氢性能呈现出先增后减的趋势，其中，最优的0.3% BTO/OR-CN样品的光催化性能优于其他复合样品，这是因为构建了S型异质结，加速了光生电荷的传输和分布。此外，在OR-CN上引入BTO QDs可以增加比表面积、提供更多的活性位点、增强光响应强度和延长光诱导电荷寿命。随着进一步增加BTO QDs的量，光催化产氢速率减小，这是因为过量的BTO QDs负载在OR-CN表面可能会影响BTO QDs的分散，且由于屏蔽效应阻碍OR-CN的光吸收效率。因此，负载合适量的BTO QDs有利于光催化产氢。此外，最优样0.3% BTO/OR-CN的产氢速率为2445.5 μmol g-1。为了比较，还合成了0.3%BTO/OR-CN复合物，制备的样品的析氢量和析氢速率的排序：0.3%BTO/OR-CNOR-CN0.3%BTO/B-CNB-CN，这表明CN的洋葱圈结构和化合物的异质结界面有利于提高光催化活性。经过四次循环实验，可以清晰地发现光催化析氢有轻微的降低。同时，XRD图也用于评价样品的稳定性，循环前后的XRD图没有发生改变。这些结果展现了制备的 BTO/OR-CN样品拥有优异的稳定性和光催化析氢活性。图5. MS图（a和b）S型异质结机理（c）BTO/OR-CN复合物光催化析氢中光生电荷分离转移机理（d）利用Mott-Schottky（MS）图确定OR-CN和BTO的能带结构。OR-CN和BTO样品的质谱图在1000、2000和3000 Hz处呈现正斜率，说明OR-CN和BTO具有典型的n型半导体特征。OR-CN和BTO在接触前的带位置存在偏差，OR-CN是一种费米能级较高的还原型光催化剂，而BTO是一种费米能级较低的氧化型光催化剂。此外，通过紫外光电子能谱（UPS）计算了OR-CN 和BTO的功函数，分析了界面电荷转移过程。确定OR-CN和BTO样品的二次电子截止边的结合能（Ecut-off）分别为16.921 eV和16.054 eV。然后，BTO和OR-CN在黑暗中密切接触后，OR-CN的CB上的电子自发地流向BTO，直到二者的费米能级达到相同水平。因此，OR-CN组分失去电子并携带正电荷，导致OR-CN的CB边缘向上弯曲，同时，BTO组分得到电子，电子在其CB上积聚，BTO带负电荷，导致CB边缘向下弯曲，从而，OR-CN和BTO界面形成内部电场。在可见光的照射下，电子在内部电场和库伦相互作用的驱动下由BTO的CB转移到OR-CN的VB上与空穴复合，此外，保留在OR-CN的CB上的电子和BTO的VB上的空穴将分别参与光催化氧化还原反应。基于以上的分析，提出了BTO/OR-CN光催化反应的可能的S型机理，在可见光的照射下，BTO和OR-CN中价带（VB）上的电子跃迁到导带（CB）上，价带上形成空穴，BTO导带上的电子可以转移到OR-CN的价带上并与空穴结合。由于OR-CN导带的电势比H+/H2（0 eV vs. NHE）更负，所以，H2O分子可以与电子反应生成H2。用三乙醇胺（TEOA）猝灭BTO价带上积累的空穴。

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。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所红外光学材料研究中心董红星研究员和张龙研究员团队在溴氯掺杂量子点自组装超晶格结构中实现稳定蓝光腔增强超荧光，并解析了量子点超晶格结构通过降低电声耦合进而抑制光致相偏析的机制。相关研究成果以“Stable and ultrafast blue cavity-enhanced superflourescence in mixed halide perovskites”为题发表于Advanced Science。 　　高质量蓝光光源受限于低的量子效率，相比于红、绿光源仍处于落后的阶段。而钙钛矿量子点体系中的腔增强超荧光是由量子耦合效应和腔光场放大的双重调制产生的超快相干光爆发，可为实现高质量蓝光相干光源提供新思路，解决传统蓝光光源效率低下的局限性。卤素掺杂是在钙钛矿量子点体系中实现蓝光发射最直接的策略。然而，由于光致卤化物相偏析引起的光谱不稳定以及量子点与光腔之间的低耦合效率，使得在这种掺杂卤化物的量子点系统中实现稳定的蓝光腔增强超荧光具有挑战性。 　　针对上述问题，研究人员通过可控自组装制备得到形貌规则、长程有序、密集排列的CsPbBr2Cl量子点超晶格微腔。在量子点超晶格中，激子离域效应可以有效地减少激子声子耦合，从而缓解光致卤化物相偏析。同时，量子点自组装超晶格微腔具有高的堆积密度、光滑表面和规则几何结构，既可以作为增益介质，也可以作为高光反馈的回音壁腔，可提高量子点与光腔之间的耦合效率。因此，这两个核心问题将在量子点自组装超晶格结构中得到解决。基于这样的卤素掺杂量子点超晶格，研究人员最终实现了具有优异光学性能的稳定蓝光腔增强超荧光。 　　该工作得到国家自然科学基金，上海市青年拔尖人才计划等项目的支持。图1(a)量子点超晶格通过减弱激子-声子耦合来缓解光致相偏析的示意图；(b)CsPbBr2Cl量子点自组装超晶格微腔在激光泵浦在产生腔增强超荧光(CESF)的示意图；(c)77K下超晶格中随功率变化的蓝光腔增强超荧光发射图，左上角为1.8Pth激发功率下的蓝光腔增强超荧光的条纹相机图像。

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。

（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。

2月24日，北京市水利自动化研究所发布《北京市水利自动化研究所采购基于量子点光谱传感技术的“水环境侦察兵”项目（设备扩增）项目单一来源公告》。公告称，北京市水利自动化研究所拟采购100套由芯视界（北京）科技有限公司开发的第四代量子点光谱水质检测仪芯禹系列地表水监测终端QW-S024P0，预算金额达1536 万元。据了解，由芯视界（北京）科技有限公司开发的第四代量子点光谱水质检测仪芯禹系列地表水监测终端QW-S024P0，能够满足采购方所有技术要求。其水质监测设备将传统光谱仪缩小到手机摄像头大小，具有微小（低于5千克）、便携、超低功耗（小于1瓦，可连续运行4-5个月）、无二次污染、运行维护成本低（具备自清洁功能、无需专业人员维护）等特点。该设备具有目前在用的水质监测设备不具备的特点，可满足北京市水环境智能监测需求，起到“水环境侦察兵”的作用。以下为公告详情：北京市水利自动化研究所采购基于量子点光谱传感技术的“水环境侦察兵”项目（设备扩增）项目单一来源公告一、项目信息采购人：北京市水利自动化研究所项目名称：基于量子点光谱传感技术的“水环境侦察兵”项目（设备扩增）拟采购的货物或服务的说明：　当前，北京市水环境监管手段智能化水平有待提高，水质监测站点覆盖广度及数据有限，各级河长及水务管理和执法人员主要采用人工拉网式巡查的方式排查河道污染源，人力投入巨大，难以做到全天候连续、全覆盖，且容易存在巡查时不排、巡查过后偷排、捕捉排污事件有效性不高等问题，不能满足精细化管理需求的状况。为了达到规范要求和地表水质实时在线监测的实际需要，此项目主要内容是为北京市水务扩增购置水质在线监测设备，提高对北京市地表水环境质量监测能力。本项目拟采购100套实时水质自动在线监测设备（终端设备—量子点光谱水质检测仪）。本项目为扩增项目，拟采用升级版量子点光谱水质检测仪，功能进一步优化。应增加相关监测指标和功能，包括：太阳能供电、设备状态自动监测及报警、在线升级、自主清洁、北斗定位、4G数据传输等。拟采购的货物或服务的预算金额：1536 万元(人民币)采用单一来源采购方式的原因及说明：1.由芯视界（北京）科技有限公司开发的第四代量子点光谱水质检测仪芯禹系列地表水监测终端QW-S024P0，能够满足采购方所有技术要求。其水质监测设备将传统光谱仪缩小到手机摄像头大小，具有微小（低于5千克）、便携、超低功耗（小于1瓦，可连续运行4-5个月）、无二次污染、运行维护成本低（具备自清洁功能、无需专业人员维护）等特点。该设备具有目前在用的水质监测设备不具备的特点，可满足北京市水环境智能监测需求，起到“水环境侦察兵”的作用。2.该设备应用的量子点光谱仪技术，经教育部科技查新工作站查新，无相同或类似的文献报道。详见附件1《科技查新报告》（报告编号：2020-0468）。由基于量子点光谱传感技术的水质监测设备与开发的软件系统共同组成水环境原位实时在线监测系统，经中国科学院文献情报中心查新，无相同或类似研究。详见附件2《科技查新报告》（报告编号：2019-1491）。3.该设备采用的6项技术均获得实用新型专利，专利权人均为芯视界（北京）科技有限公司，专利如下：（1）适用四季变化的水体检测装置，专利号：ZL 2018 2 2208474.1（见附件3）；（2）适应复杂水体环境的水体检测装置，专利号：ZL 2018 2 2208448.9（见附件4）；（3）一种光谱型水质检测装置，专利号：ZL 2018 2 2208941.0（见附件5）；（4）水质监测系统，专利号：ZL 2018 2 0131962.4（见附件6）；（5）光谱检测装置，专利号：ZL 2019 2 2452792.7（见附件7）；（6）清洁装置和水质监测设备，专利号：ZL 2019 2 2452795.0（见附件8）。综上所述，该项目符合《中华人民共和国政府采购法》第三十一条第一款“符合只能从唯一供应商处采购的货物或者服务，可以依照本法采用单一来源方式采购”规定的情形，拟采用单一来源方式从芯视界（北京）科技有限公司采购。二、拟定供应商信息名称：芯视界（北京）科技有限公司； 地址：北京市海淀区成府路45号中关村智造大街A座三层303三、公示期限　2021-02-25 00:00至 2021-03-04 00:00四、其他补充事宜：本公示同时在中国政府采购网、北京市政府采购网、北京市水务局网站发布。五、联系方式1.采购人联 系 人：贾陆璐联系地址：北京市海淀区翠微路甲3号联系电话：010-566958482.财政部门联 系 人：北京市财政局采购处联系地址：北京市通州区承安路3号联系电话：010-555924053.采购代理机构联 系 人：北京江河润泽工程管理咨询有限公司联系电话：010-53105841附件：1、专家论证意见及专家姓名、工作单位、职称；(1) 专业人员签到表.pdf(2) 单一来源公示及专家论证意见.pdf2、评审专家和代理机构分别出具的招标文件无歧视性条款、招标过程未受质疑相关意见材料；3、其他附件；(1) 附件1-8：科技查新报告、实用新型专利证书.pdf需要采购的产品或服务清单：序号设备名称单位数量1终端设备---量子点光谱水质检测仪套100专业人员签到表.pdf附件1-8：科技查新报告、实用新型专利证书.pdf单一来源公示及专家论证意见.pdf

2021年1月21日，格拉斯哥大学（University of Glasgow）宣布，将使用牛津仪器公司（Oxford Instruments）的新一代无液氦稀释制冷平台Proteox来加速英国量子计算商业化研究。去年4月，Innovate UK向一个由四家公司和两所大学组成的强大量子科技联盟授予七百万英镑的政府拨款，旨在加速推进超导量子技术商业化。该联盟由牛津量子电路公司（Oxford Quantum Circuits）牵头，牛津仪器纳米科学部和等离子体部、英国SeeQC公司、开尔文纳米技术公司（Kelvin Nanotechnology）、格拉斯哥大学和伦敦皇家霍洛威大学（Royal Holloway University of London）合作，将超导量子器件的设计、制造和测试产业化，计划通过完善低温测量、超导器件制备、量子计算和量子器件销售，实现多重商业模式。格拉斯哥大学量子电路课题组负责人Martin Weides教授评论说：“我们实验室很高兴能启用牛津仪器最新的Proteox稀释制冷平台。牛津仪器是我们长期的战略合作伙伴。正如今天声明强调，我们的合作将对未来量子计算发展产生重要推动作用。Proteox的设计考虑到了大规模量子计算的需求。通过使用其二级插件技术，我们能够轻松地表征和开发用于量子计算的集成芯片和组件。”牛津仪器纳米科学部总经理Stuart Woods针对此次合作评论说：“今天的声明表明了牛津仪器公司在量子科技发展中承担的主要角色。凭借我们60年的仪器生产和全球服务支持经验，我们正在加速量子科技的商业化进程，并且从中发掘为我们全球的客户创造价值的新途径。”Proteox是新一代模块化的无液氦稀释制冷机，它为凝聚态物理实验和量子计算产业化提供极低温实验环境。Proteox的二级插件可定制且易更换，可以支持多个用户和各种不同引线配置的实验之间快速切换。关于牛津仪器纳米科学部 （Oxford Instruments Nanoscience）作为牛津仪器集团公司的一个重要组成部门，牛津仪器纳米科学部拥有有超过六十年的超导磁体和极低温制冷设备的研发和制造经验，牛津仪器纳米科学部始终致力于为量子技术，新材料表征和新物性测量等研究提供先进的一体化的极低温和强磁场测量解决方案。关于格拉斯哥大学量子电路课题组 (Glasgow’s Quantum Circuit group)英国格拉斯哥大学量子电路课题组研究负责人是Martin Weides 教授，他的主要研究方向是相干纳米电子学，重点是量子自旋电子学、混合量子比特系统和量子计算、超导量子电路的模拟和传感。课题组网页：https://www.gla.ac.uk/schools/engineering/research/divisions/ene/researchthemes/micronanotechnology/quantumcircuits/

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!

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

加拿大多伦多大学电气与计算机工程教授Ted Sargent领导的研究小组首次研发出了一种胶体量子点(colloidal quantum dots，CQD)双层太阳电池，制备成分为吸光纳米粒子，称为量子点。其不但可以吸收可见光，也可以吸收不可见光，理论转化效率可高达42%，超过现有普通太阳电池31%的理论转化率。相关研究论文发表在Nature Photonics上。　　量子点已经被看作是一种很有前途的方法，可以制备低成本太阳电池，因为这些粒子可以喷涂到各种表面。但是，基于这种技术的电池效率太低，难以实用。而多伦多大学研究人员研发的双层太阳电池中，一层量子点经调制可以捕捉可见光，而另一层捕捉红外光。研究人员还引入一个过渡层，构成成分包含四种薄膜状的不同金属氧化物，这一种方法可以减少层间电阻。他们选择透明的氧化物用于这一层，使光线可穿过它们，到达底层电池。　　研究人员目前研制的这种太阳电池转化效率为4.2%。Sargent教授指出，这种方法可用于制造3层甚至4层太阳电池。该小组的目标是在5年内实现效率超过10%，之后不断提高。　　宾夕法尼亚州立大学化学教授John Asbury指出，因为能够制成多层量子点太阳电池，多伦多大学的团队将理论效率从30%提高到40%以上。但是，要研制接近这一效率的任何尺度太阳电池，都需要消除束缚态问题。

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，中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米材料与器件实验室丁古巧团队在石墨烯量子点制备及荧光机制研究方面取得进展。该工作深化了关于石墨烯量子点发光机理的认知，阐释了多变量体系下机器学习辅助材料制备成果所包含物理内涵。相关研究成果以Precursor Symmetry Triggered Modulation of Fluorescence Quantum Yield in Graphene Quantum Dots为题，发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。近年来，以石墨烯量子点为代表的碳基量子点材料因独特的sp2–sp3杂化碳纳米结构，表现出优异的光学、电学、磁学的性质。在石墨烯量子点“自下而上”法制备中，多变量反应体系使其在合成与机制领域面临挑战。此外，机器学习以高效的分析算法和模型在复杂体系分析、新型材料设计等领域展现出优势。然而，由于缺失具备实际物理内涵的结构特征描述符，机器学习仅能得到难以阐释物理内涵的数学模型。这限制了机器学习在相关研究中的可迁移性和实用性。石墨烯粉体课题组博士研究生陈良锋、副研究员杨思维结合群论在分子结构描述上的优势，通过控制变量实验与结构化学理论的结合，将具有实际物理含义的描述符应用于机器学习，揭示了石墨烯量子点的前驱体结构与荧光量子产率间关联的物理内涵。该研究利用高结构刚性sp3前驱体与柔性sp2结构前驱体之间的“自下而上”反应，实现了石墨烯量子点中sp2-sp3杂化碳纳米结构的调制。研究结合热动力学理论，阐明了sp3刚性结构能够通过抑制非辐射跃迁过程提高石墨烯量子点量子产率。进一步，研究借助群论在描述分子结构方面的优势，结合主成份分析，明确了石墨烯量子点制备过程中影响石墨烯量子点荧光量子产率的三个决定性因素——结构因子、温度因子和浓度因子。与以往基于机器学习的研究工作相比，该团队基于群论的进一步研究，揭示了机器学习结果中分子的简正振动是前驱体对称性作用于石墨烯量子点量子产率增量的核心物理机制。基于上述原理的指导，该研究首次证明了分子振动的正常模式是前驱体的结构特性作用于 GQDs 荧光量子产率的核心机制。这一石墨烯量子点的光致发光性能在荧光信息防伪加密中具有应用前景。研究工作得到中国科学院青年创新促进会、上海市科学技术委员会以及集成电路材料全国重点实验室开放课题等的支持。

超窄带发光材料在多种光电器件、激光、超分辨、成像和传感等应用中具有重要的科学价值和技术意义。碳点作为一种新型的碳纳米发光材料，因具有发光稳定性好、带隙宽度可调、双光子吸收截面积大、选择性的荧光淬灭/增强、生物相容和低毒性等优势受到广泛关注。碳点在长波长和高效率发光等方面快速发展，但在窄带发射方面的研究较少。相对于稀土材料5~15 nm和量子点材料15~30 nm的窄带发光，目前所报道的大部分碳点的发射半峰宽在40~60 nm以上，如何降低碳点的发射半峰宽成为发光碳点材料领域的关键问题和研究热点。　　近年来，中国科学院理化技术研究所特种影像材料与技术中心系统提出了二维共轭小分子化合物作为碳源制备出高效窄带长波长发光碳点的新方法（Physical Chemistry Chemical Physics 2016, 25002 Particle & Particle Systems Characterization 2016, 811 ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 16005 Journal of Materials Chemistry C, 2018, 5957 Nanoscale, 2019, 11577等）。科研人员以酞菁类平面共轭大环化合物为碳源，采用一步法制备出两种窄带发射的红光石墨烯量子点，这两种石墨烯量子点的发光半峰宽（分别为21 m和30 nm）已达到发光材料中超窄带发射的范围。该工作为进一步开展制备超窄带发射的石墨烯量子点提供了新思路，并拓展了窄带发射石墨烯量子点在发光材料、激光发射、光路复用、生物传感、LED等方面的应用范围。　　除超窄带发光外，这两种石墨烯量子点还具有发射波长在远红光范围（ 680 nm）、发射峰位置相近、激发波长和荧光寿命部分依赖等特点。基于此，理化所特种影像材料与技术中心与以色列巴伊兰大学工学院合作提出了基于超窄带发射石墨烯量子点的超分辨传感策略，并应用于光谱和空间超分辨成像传感检测。该方法无需使用光谱仪即可提取光谱信息，通过两种类型的窄带发光石墨烯量子点的独特波长和时间“特征”实现空间分离，在超分辨光谱和空间传感领域有潜在应用价值，如超分辨技术可以克服光学成像应用的光学衍射极限，有望填补电子显微镜（~1 nm）和普通可见光学显微镜（200-250nm）之间的空缺，观察到更精细的结构或更高分辨率的图像。　　相关研究成果以Ultra-narrow-bandwidth graphene quantum dots for superresolved spectral and spatial sensing为题，在线发表在NPG Asia Materials上，并已申请中国发明专利。理化所研究员谢政和巴伊兰大学工学院院长、教授Zeev Zalevsky为论文通讯作者，理化所硕士研究生王真为论文第一作者。　　此外，这类碳点因良好的光声特性，可应用于光声成像超分辨方面。中以双方团队通过进一步合作，将另外一类两色可逆转换碳点（绿光和红光的最高发光效率为80%，ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, 16005）应用到了光声超分辨成像中，提出一种基于多个亚像素吸收器的分离和定位的扩展分辨率成像概念，该技术提高了光声成像超分辨率。相关研究成果以Autoencoder based blind source separation for photoacoustic resolution enhancement为题，发表在Scientific Reports上。　　上述两项研究工作得到国家自然科学基金和中科院国际人才计划-外国专家特聘研究员计划项目等的资助。两种窄带发光红光石墨烯量子点的发光特性和超分辨成像应用示意图

胶体量子点(QD)/石墨烯纳米杂化异质结构为量子传感器提供了一种有前途的方案，因为它们利用了量子点中的强量子限制，具有增强的光-物质相互作用、光谱可调性、抑制的声子散射和室温下石墨烯中非凡的电荷迁移率。在这里，我们报告了一个灵活的，九通道的 PbS 量子点/石墨烯纳米混合成像阵列在聚对苯二甲酸乙二酯上的开发，使用了一个简单的工艺，用于器件制造，信号采集和处理。PbS 量子点/石墨烯成像阵列具有高度均匀的光响应特性。在1.0 V 偏置下，400-1000nm 入射光[紫外-可见-近红外(UV-vis-NIR)]的最高响应度为9.56 × 103-3.24 × 103A/W，功率为900pW。此外，该阵列具有一致的光谱响应，弯曲到几毫米的曲率半径。在紫外-可见-近红外(UV-vis-NIR)范围内的宽波长成像表明，量子点/石墨烯纳米杂化体为柔性光探测器和成像器提供了一种可行的方法。图1.(a-c)九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列的器件制作方法。(b)石墨烯通道上的 PbS QD 涂层 以及(c) MPA 配体交换。(d，e)是分别在刚性硅和柔性 PET 衬底上制作的9通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列的示意图。(f)用短链导电 MPA 配体封装 PbS 量子点以促进从量子点到石墨烯的电荷转移的替换长链绝缘 OLA 和 OA 配体的示意图。(g)九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列中像素的结构示意图和 PbS 量子点/石墨烯界面上的内置电场。(h)使用 Arduino 读出器在九通道 PbS 量子点/石墨烯光电探测器阵列上进行传输成像的光学设置。图2。(a)在量子点沉积之前，在九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列上的石墨烯或“ Gr”通道的光学图像。(b)石墨烯/Si 和 Si 之间边界处的 G 峰(左上)和2D 峰(右上)的拉曼图，以及石墨烯上随机选择的点的拉曼光谱。单层石墨烯的 I2D/IG 2。(c)在1200nm 附近显示吸收峰的 PbS 量子密度吸收光谱。插图显示了 PbS 量子点的 TEM 图像，表明了 PbS 量子点的大小和均匀性。(d) PbS 量子点直径大小的分布。(e) PbS 量子点的高分辨透射电镜图像。条纹间距约为0.3 nm，相当于 PbS 的(200)晶格面。图3。(a)在硅衬底上的九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列上的选定像素在制作后的少数选定次数上的动态光响应。入射光功率为230nW，波长为500nm。整个像素的偏置电压为1.0 V (b)三个光开/关周期，显示重现性以及上升和下降时间定义。(c)相同的九通道 PbS 量子点/石墨烯传感器阵列对400-1000nm 范围内几个选定波长的入射光功率的光响应性。(d)相同的九通道 PbS QD/石墨烯传感器阵列对入射光功率为900pW 和偏置电压为1.0 V 的波长的检测率显示相同的九通道 PbSQD/石墨烯传感器阵列对入射光功率为900pW 和波长为500nm 的偏置电压的归一化响应性。数据在6783A/W 的1V 响应下进行了归一化处理。图4。(a)硅基板上的九通道 PbS QD/石墨烯传感器阵列对2.5 μW 的入射光功率和1V 的偏置电压的波长和通道(像素)的响应度(b)在500nm 的波长下9个像素的归一化响应度。(c)在黑暗中使用带有“ X”的阴影掩模显示五个中心通道和四个角通道的透射成像示意图。(d)使用(b)中的归一化方法对9个像素进行归一化响应，显示“ X”阴影掩模成像的结果。图5。(a)显示阴影掩模位置的图像扫描系统，透过线性致动器水平和垂直扫描，以取得安装在“样本”位置的九通道 PbSQD/石墨烯传感器阵列上的传输图像。(b)透过光束扫描以在阵列上产生传输图像的阴影掩模的光学图像。(c-e)通过在(c)400，(d)500和(e)1000nm 的波长的衬底上的九通道 PbS QD/石墨烯传感器阵列获得的图像。图6。(a)在 PET 基板上安装在弯曲虎钳上的九通道 PbS QD/石墨烯传感器阵列。转动图中所示的螺丝，将虎钳的两边连接在一起产生弯曲。(b) PET 阵列对几个选定波长的入射光功率的归一化响应率和1V 的偏置电压(c)柔性 PET 阵列的响应率作为入射光波长的函数以及刚性 Si 阵列，两者都在400nm 处归一化以进行比较。在这种情况下，入射光功率约为120nW，偏置电压为1 V (d)对于具有500nm 照明的 PET 阵列，响应率与曲率半径之比。这种情况下的光功率为2.5 μW，偏置电压为1 V。插图展示了在弯曲条件下的阵列，并用500nm 光照明。图7.在 PET 上分别以(a)400，(b)500和(c)1000nm 的波长用9通道 PbS QD/石墨烯混合传感器阵列拍摄的图像。图8.在 PET 上用9通道 PbS QD/石墨烯混合传感器阵列拍摄的图像，阵列(a)平坦，(b)弯曲半径为5厘米。相关科研成果由堪萨斯大学Andrew Shultz、Bo Liu和Judy Z. Wu等人于2022年发表在ACS Applied Nano Materials上。

纳米颗粒（特别是当粒径小于20 nm时）所展现出的诸多新奇光学性质，一直是令无数研究人员着迷的话题。研究人员一方面不断探索、发掘新的现象并尝试给予解释，一方面积地尝试将各种新奇的性质应用于改善人们的生活。随着纳米颗粒相关领域研究的蓬勃发展，高品质纳米颗粒的合成以及宏量制备已经成为现实。然而，随着研究需求与实际应用需求的不断提升，不论是实验抑或是生产，对纳米颗粒的定位与组装的精度和可靠性的要求也越来越高。由于纳米颗粒的特殊物性，以及其与衬底及周围环境的作用方式，展现出了诸多新奇的特点，从而使得对于颗粒的定位、组装伴随着新的挑战。尤其是当颗粒粒径小于20纳米时，迄今仍缺少简单高效、工艺兼容性好、度高的组装及定位方式。有鉴于前述问题，南京大学张伟华教授与鲁振达教授课题组，发展了一种改性模板技术来实现高精度的纳米颗粒组装技术。相关成果以 “Deterministic Assembly of Single Sub-20 nm Functional Nanoparticles Using a Thermally Modified Template with a Scanning Nanoprobe”为题目刊载于知名材料科学刊物Advanced Materials上。南京大学现代工学院官网，亦对此工作进行了详细报道。 以下内容转载自南京大学现代工学院官网“当尺寸下降到20纳米或以下时，纳米颗粒常会呈现出宏观所不具备的特性，如分立能，高吸收性，超顺磁等。特别的，半导体纳米颗粒（量子点）由于其特的量子发光特性，已被广泛的应用在显示、传感、量子信息处理等领域。今天，随着合成技术的发展，各类功能纳米颗粒可控的合成已经成为现实，但如何将这些纳米“乐高”逐个拼接在一起，组成复杂结构甚至器件仍是一个未决的难题。为此，在过去二十年间科学家尝试了各种技术路径，通过化学修饰、静电、颗粒操控等方法实现了微米及亚微米颗粒的组装。但对于20纳米之下的颗粒，由于颗粒-衬底相互作用弱，迄今仍缺少简易、高效、、广适用面的组装方法。目前相对有效的方法依赖表面化学改性与静电作用，其模板制备复杂，仅针对单一材料，难以制备纳米颗粒团簇，更无法解决多种材料异质集成的问题。 有鉴于此，张伟华教授与鲁振达教授课题组合作开发了一种基于热扫描探针改性模板的单颗粒组装技术。该技术将扫描探针的针加热至900 ℃以上，可对聚合物表面刻蚀的同时实现表面改性，使微结构区域的表面能显著升高。实验测量与理论计算显示，改性后局域吸附能的提高可达2倍以上，从而大幅度提高了纳米颗粒在改性区域的组装效率。此外，表面能的升高也使液面在微结构内的接触角降低，增强了颗粒所受毛细力，使其更易于被束缚在微结构当中。图1热表面改性模板辅助纳米组装技术示意图：模板制备与纳米组装过程 该方法不涉及特殊化学键或静电作用，为此对纳米颗粒的材料没有特定要求，相比于传统方法具有更广的适用性。为证实这一点，文章演示了包括单颗10纳米量子点（65%），20纳米金颗粒（95%），20纳米聚苯乙烯荧光小球（97%）等材料的高效组装。通过调整微结构的几何尺寸，该方法能还够制备金纳米颗粒各种规则形状的密堆团簇。 图2小尺寸纳米颗粒的组装结果 a)10纳米量子点 b)20纳米聚苯乙烯荧光小球 c)20纳米金颗粒 d)20纳米金颗粒的各种规则密堆团簇 此外，由于该方法基于扫描探针技术可获取表面形貌信息，使得多步组装结构的对准成为可能。利用此优势，工作演示了量子点-纳米银线耦合结构的制备，展示了该技术在多材料跨尺度异质面的巨大潜力。图3量子点-银纳米线异质结构的制备 a)制备过程示意图 b1)单根银纳米线光镜照片 b2)对应的银纳米线形貌扫描图 b3)在银纳米线部制备微结构 b4)组装量子点后的荧光图像 由于其高精度、高确定性与广适用面，并可与已有工艺结合，该方法有望为集成量子光学信息、光学超分辨、纳米生化传感器等方向带来更多的可能性，推动相关领域的发展。”在此论文当中所谈及的热扫描探针光刻技术（thermal scanning probe lithography，t-SPL），衍生于IBM Research的研发成果，是近年来发展起来的一种可快速、可靠、高精度地实现纳米图案制备的直写技术，其技术核心是利用加热针的热能来诱导局部材料的改性，从而实现图案化。由于特的技术原理，使其具有刻写图案精度高（水平方向特征线宽15 nm/纵向台阶精度2 nm）、原位成像/闭环光刻、套刻与拼接精度高（25 nm）等诸多优势。 热扫描探针刻写技术的更多信息：1. 可参考刊载于Microsystems & Nanoengineering（volume 6, Article number: 16 (2020)）的综述“Thermal scanning probe lithography—a review”。

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

近日，上海微系统所传感技术国家重点实验室采用微纳加工技术制备了一种基于氮空位（NV）色心的微型光电一体化集成钻石量子磁传感器。相关研究成果于2022年5月9日以“Amicrofabricatedfiber-integrated diamond magnetometer with ensemble nitrogen-vacancy centers”为题发表在当期的Applied Physics Letters上。 钻石，不仅可以作为珠宝装饰品，更是具有极高研究价值的新型量子材料。氮空位缺陷——NV色心，是钻石晶体结构中最常见的点缺陷，由氮原子取代碳原子和相邻空穴而形成，利用其在磁场中的量子顺磁共振效应及荧光辐射特性可以进行精密磁测量。NV色心在常温下也具有稳定的量子态，可以在非制冷的室温下工作。同时，钻石量子磁传感器以其高空间分辨率、高灵敏度、高生物兼容性等技术优势，在近场微观磁共振、磁异常探测、生命科学等领域具有重要的应用前景。 小型化、集成化、便携化是钻石量子传感器取得实际应用的重要条件。该团队基于晶圆级微机电工艺平台，利用标准微纳加工技术，制备出钻石量子磁传感器的核心——钻石芯片。芯片内部集成了微波辐射结构，实现了原位微波量子态操控。采用金属热压键合技术实现了钻石单晶与硅晶圆的异质集成，确保了机械稳定性。钻石芯片耦合带有梯度变化折射率透镜的光纤模块，实现了“光进光出”的工作模式，大大缩小了探头尺寸，实现了钻石磁强计探头的高集成度。并进一步指出，采用双频共振技术可以同时进行磁场和温度场的同步实时测量，不仅通过温漂抑制提高了磁场测量的信噪比，还确保了传感器的温度稳定性。 该团队提出的制备工艺可以在晶圆级进行拓展，具有批量化制备的潜力，为建立高一致性、高灵敏度的可穿戴传感器阵列提供了可能性。目前钻石量子磁传感器整体尺寸仅有20×15×1.5 mm3，灵敏度达到2.03nT/√Hz。同时，该钻石磁传感器可以对小于0.5 mm（甚至更小）的目标区域进行近距离测量，具有在心磁、脑磁等弱磁信号探测场景的应用潜力，为后续实用化的可穿戴生物磁传感器提供了良好的研究基础。 该论文的第一作者单位和通讯单位为中科院上海微系统所，第一作者为博士研究生谢非，通讯作者为武震宇研究员和陈浩副研究员。该工作得到中国科学院战略性先导科技专项（XDC07030200）、国家重点研发计划（2021YFB3202500）、中科院科研仪器装备研制（YJKYYQ20190026）等项目的支持。 论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0089732

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。

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。

在最近上映的科幻电影《流浪地球2》中，有一被誉为“全场最有价值道具”的最高算力智能量子计算机MOSS贯穿全局，它可以满足数万座发动机协同运作，并支撑“数字生命”计划所需算力。事实上，量子计算机并非科幻。1月28日，记者从安徽省量子计算工程研究中心获悉，合肥本源量子已研发出多台中国量子计算机，并成功交付一台量子计算机给用户使用。该量子计算机的成功交付使我国成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。这是我国继实现“量子优越性”之后，又一次确立了在国际量子计算研究领域的领先地位。“全球有100多家量子计算公司投入了巨大的人力物力进行研制，加拿大的量子计算公司2011年出售了其第一个量子计算机，美国IBM公司在2019年将其商用量子计算机交付部署，中国公司本源量子的量子计算机在2021年就已交付用户。”安徽省量子计算工程研究中心主任张辉介绍，量子计算机已经成为各国竞争的焦点之一，越来越多的研究单位和大型公司企业的加入，将加速可实用化通用量子计算机研制的进程。据了解，本源量子是中国第一家量子计算公司，其在2020年已上线国内首台国产超导量子计算机本源悟源，并通过云平台面向全球用户提供量子计算服务；在2022年发布了国内首个量子计算机和超级计算机协同计算系统解决方案，该方案可以双向发挥量子计算机和超级计算机的优势。

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

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

量子精密测量，就是使用量子技术对物理量进行个更高分辨率和更高精度的测量技术。而很多高端科学仪器天然就在追求更高的分辨率和更准的精确度，这些正是量子精密测量可以发挥长处的地方。“所以我觉得量子精密测量技术给我们的科学仪器行业带来了一个‘弯道超车’甚至于‘换道超车’的变革式机遇。”国仪量子联合创始人、董事长、CEO贺羽在接受仪器信息网采访时如是说道。事实上，国仪量子也正在致力于以量子精密测量和量子计算为核心技术，打造以测量仪器为核心的先进仪器产业集群。基于金刚石NV色心的量子信息处理，国仪量子形成了两大业务线：一是磁共振业务线，主要产品有电子顺磁共振产品家族，以及量子钻石原子力显微镜、量子钻石单自旋谱仪、金刚石量子计算教学机等；二是量子测控产品线，包括任意波形发生器、数字延时脉冲发生器、量子态控制与读出系统、温度控制仪等。国仪量子源自于中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室，将实验室技术转化的同时，公司自身也投入了很高的研发费用。“2020年度，国仪量子实现销售收入1个亿出头，投入研发费用就有4800万左右。”贺羽讲到。国仪量子不断加大研发投入的同时，新品推出的脚步也在不断加快，仅2020年就有十多款仪器推出。2020年，国仪量子发布的第一款新品是量子钻石原子力显微镜；6月，推出了任意波形发生器AWG4100；10月，重磅发布了EPR200-Plus升级版X波段电子顺磁共振谱仪、EPR200M台式电子顺磁共振谱仪、EPR-W900 W波段电子顺磁共振谱仪、无液氦变温系统CVTI-CF Series等电子顺磁共振谱仪系列新品。贺羽在接受采访时表示：“国仪量子在2021年还会有不少的新品上市。”谈到量子精密测量技术产业化面临的关键问题，贺羽提到了两点：“一是工程化，基于实验室的核心技术从理论到技术上已经得到了很多验证，但是将这些技术做成可靠性、可应用性、可生产性、可维护性都比较好的仪器，需要一支非常强大的工程化队伍；二是行业应用，虽然仪器有了更高分辨率和更准精确度，但还要找到一个‘杀手级’的应用场景，这个应用场景要足够需要更高分辨率和更准精确度的仪器，并且市场空间也要足够的大。”更多关于贺羽的采访内容，请点击以下视频观看：

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。

来源：中国科学报 记者：赵广立编者按：“遇事不决，量子力学。”这句戏谑言语的背后，隐喻着量子力学这一前沿科技在公众面前的深奥与神秘。然而，尽管看似遥不可及，量子科技——尤其量子信息产业化的脚步已在一众行业先驱者的催动下风雨兼程，并逐渐形成了量子精密测量（量子传感）、量子保密通信、量子计算三大赛道。毕竟技术门槛高，量子科技创业公司并非一些媒体所渲染的那样如雨后春笋般林立，倒是很有一些蹭热度、收割“智商税”的不良商家打着量子之名鱼目混珠。而作为公认的“大国不应踏空的科技领域”，量子科技的产学研协同创新显得如此重要。为还原量子科技产业化面貌，《中国科学报》通过走访科学家、创业者和投资方，推出系列报道，分主题对上述三大赛道的技术现状、产业前景等作一探析，以资感兴趣的读者朋友们参考。国仪量子推出的量子钻石原子力显微镜2016年12月底创立，5年时间里融资5轮，最近一轮（C轮）融资数亿元人民币，并于2021年被评为“独角兽企业”，这家公司就是国仪量子——孵化自中国科学技术大学的量子精密测量仪器产业初创公司。讯飞创投的投资总监孙啸天忆起对国仪量子的投资，至今仍能感受到当年的兴奋。2018年3月，投资团队到国仪量子沟通参与A轮融资，4月底就完成了投资决策：作为A轮领投方，讯飞创投给这个当时创立仅1年多的团队投出4000万元。这些数字的背后，是量子精密测量技术落地应用所带来的无限魅力。中国科学报报道版面打开微观世界的一把钥匙贺羽，年轻的90后创业者，曾就读于中国科学技术大学少年班。2016年从中国科学技术大学杜江峰院士团队出来创办国仪量子时，已经是他第三次投身创业：“该掉的坑都掉过了，在国仪量子倒不觉得有什么不顺。”“量子传感器是人类能研制的最‘小’的传感器。”贺羽向《中国科学报》介绍：“最小意味着它能测量一些我们用现代仪器测不到的信号，比如微弱的磁场、神经元放电、血液中的痕量标识物等等，它是打开微观世界的一把钥匙。”物质的电磁场、温度、压力等物理量与量子体系发生相互作用后会改变其量子状态，而通过对这些变化后的量子态的检测，就能实现对这些物理量的高灵敏度测量。量子精密测量就是基于量子力学基本特性——如量子能级、量子叠加、量子纠缠等，实现超越经典极限的一项测量传感技术。如今，随着量子信息技术水平的整体提升，量子态操控技术已趋成熟，量子精密测量的应用水平也大为提高。简单的理解就是，由电子、光子、声子等微观载体构筑的量子体系就像是一把高灵敏度的尺子，借助它就可以实现对诸如时间、压力、温度、磁场乃至重力等各物理量更精密的测量，因此又称“量子传感”。并且，利用量子纠缠或者量子态压缩，还可以进一步提高测量灵敏度。例如，让N个“量子尺子”的量子态处于一种纠缠态上，待测量信号与这N把量子尺的作用就会相干叠加，信号将随着被量子相干效应实现N的平方根放大倍数的“增强”，这样的测量精度就会突破经典力学的散粒噪声极限，接近量子力学理论范畴内所能达到的最高精度——海森堡极限。 “鼎新带动革故”的创业赛道基于量子精密测量技术研制的仪器，相比一些传统科学仪器是“降维打击”，因为科学仪器天然追求更高灵敏度和更高精度。这在贺羽看来，给了国产科学仪器研制“换道超车”的机会。高端科学仪器是科学研究、工程探测、医疗临床等不可或缺的重要工具，但由于精密仪器技术要求高、制造难度大，全球范围内只有来自发达国家的仪器巨头如赛默飞世尔、岛津、罗氏诊断、布鲁克等具有完善的供货能力，且处于垄断地位。而高端仪器长期以来依赖进口，让包括中国在内的许多国家不得不付出高价购买的同时还要仰人鼻息，可谓“天下苦垄断厂商久矣”。量子精密测量技术在科学仪器方面的落地应用，正在改变这一尴尬现状。“我们研制的不少仪器一经推出就是‘世界首台’，不仅树立了国仪量子的品牌，也奠定了国产高端仪器打破国外科学仪器巨头垄断的基础。”贺羽对《中国科学报》说。贺羽形容量子精密测量仪器是一个“鼎新带动革故”的创业赛道。他介绍说，基于量子精密测量技术，国仪量子瞄准高端仪器市场缺口，锚定人无我有、人有我优的“为国造仪”理念，展现了新技术的竞争力。2018年10月，国仪量子发布的国内首台脉冲式电子顺磁共振波谱仪，自主创新多项核心技术，填补了国内空白，突破国际禁运，并在关键性能指标上实现超越；2019年11月，国仪量子发布世界首台量子钻石原子力显微镜，能“看到”纳米级的微观磁结构，在量子科学、化学与材料科学以及生命科学和医疗等领域有着广泛的应用前景。目前，国仪量子已经具备了多款量子传感器从研发到生产的核心能力，一些仪器设备甚至开始销往美国、澳大利亚等发达国家，销售额也逐年翻番。贺羽透露，2021年国仪量子订单总金额已跨过2亿元关口，2022年有望实现翻番增长。还只是冰山一角尽管订单数量节节攀升，但贺羽也坦承，国仪量子所撬开的量子传感仪器市场还只是冰山一角。“一方面，量子精密测量技术相对传统测量仪器是降维打击，存量市场潜力还很大；另一方面，量子精密测量还有许多待发掘的市场应用场景，新的需求还会不断地诞生，增量市场蓝海可期。”贺羽说，他们现在每年要拿出占营收约40%的费用用于研发投入，除技术创新研发投入外，还开展场景创新研发，一些新应用场景的仪器也在做预研或规划。国仪量子也并非量子精密测量技术产业化的独行者。放眼全球，瑞士量子传感解决方案开发商Qnami就是一家与国仪量子旗鼓相当的竞争对手。后者于2017年从巴塞尔大学物理系创立，专注于量子显微镜系统市场，并已有多款产品在材料研究领域推出。16年孵化于ULM大学的量子增强成像技术开发商NVision，致力于将量子传感技术应用于医疗领域的分子诊断，开发新一代功能核磁成像装置。此外，一些传统仪器仪表科技巨头也在相关细分领域开始采纳量子精密测量技术，并开展相应产品研制或指定产品研发计划。如美国传统制造商洛克希勒马丁公司，有专门的研究小组，探索研制和使用量子传感器解决全球导航卫星系统的信号干扰问题；蔡司在开展基于量子弱磁传感器在脑科学研究、脑机接口方向的潜在应用。德国工业巨头博世集团，目前正着手探索量子精密测量技术在汽车传感上的应用——2月18日，博世集团刚刚通过其官方发布渠道宣布成立全新初创团队，旨在将量子传感器商品化。环顾国内，类似国仪量子这样的初创企业并不多，但我国已有或已开展量子精密测量技术开发的研究团队也不在少数。比如，2021年3月，位于浙江的之江实验室就曾宣布，其于2019年7月正式立项的量子精密测量大科学装置完成了“里程碑节点成果验收”。公开信息显示，该装置基于光动量效应，探索集中在高精度力学量的量子传感技术方向，上述成果的取得“为力学量量子传感技术发展奠定了扎实的基础”。再如，中国科学技术大学教授卢征天团队，曾提出原子阱痕量分析方法、自主研发基于激光冷原子阱技术痕量同位素分析实验装置，并将其创造性地应用于环境样品中稀有同位素的探测，进而用于为古地下水与冰川定年。“我们只是众多量子精密测量技术中的一个例子，它的空间是很广阔的，技术应用也日新月异。”卢征天在接受《中国科学报》采访时说，量子精密测量比较常见应用与时间、质量、温度等物理量的测量，原子钟就是一个“明亮的例子”，借助量子技术，原子钟的计时准确度达到了理论最高水平。卢征天这一技术在市场上亦有应用落地。记者查询公开信息获悉，我国原子钟、时间同步设备和系统主要供应商“天奥电子”就主营时间频率产品等的研发设计、生产销售，其营收中有近57%来自频率系列产品、42%来自时间同步系列产品。值得一提的是，作为“量子科技概念股”，天奥电子自2018年9月3日在A股上市以来，股票涨幅达274%。乘“东风”，工程队伍是关键量子精密测量的政策“东风”，也吹得正劲。2022年1月28日，国务院发布了《计量发展规划(2021—2035年)》(下文称《规划》)，提出在2035年建成以量子计量为核心、科技水平一流、符合时代发展需求和国际化发展潮流的国家现代先进测量体系。《规划》重点介绍了对于计量基础研究、计量应用、计量能力建设与计量监督管理的整体要求。在专栏2“计量基础理论与核心技术研究”中，《规划》提出，要“重点开展量子精密测量和传感器件制备集成技术、量子传感测量技术研究”。从《规划》的措辞和篇幅设置中可以读出，量子精密测量技术和高端仪器国产化在其中扮演着重要的角色。作为以量子精密测量为核心技术、高端科学仪器为主营产品的高新技术企业，国仪量子表态要抓住国家战略机遇：“将面向世界科技前沿、坚持面向经济主战场、坚持面向国家重大需求、坚持面向人民生命健康，加大关键核心技术攻关力度，为提高国家科技创新能力、促进经济社会高质量发展贡献力量。”谈及未来发展，贺羽告诉记者，量子测量技术的成果落地，工程化人才队伍建设是关键。“这是练内功的过程”。目前，国仪量子研发队伍中，有70%是工程化人才。国仪量子是高瓴资本布局量子技术赛道的第一个入口，后者领投了国仪量子的B轮融资。高瓴资本看重的，也是创业团队不仅有“根正苗红的量子技术”，还拥有技术落地能力，“有望发展成为量子信息和科学仪器行业龙头企业”。“仪”路前行，贺羽表示欢迎国内更多初创团队加入这个赛道中来：“量子精密测量技术的转化落地空间足够大、蛋糕也够大，更多队伍的加入，只会让我国高端科学仪器品牌越来越强。”