什么是量子点（QDs）？

半导体纳米晶体也称为量子点（QDs）。

半导体的纳米粒子（量子点）的理论化是在20世纪70年代，于20世纪80年代初得以创建。如果半导体的粒子足够小，量子效应发挥作用从而限制能量使电子和空穴（没有电子的存在）能存在于粒子中。由于能量与波长（或颜色）相关，这意味着粒子的光学性质可以根据它的大小进行微调。因此，仅通过控制粒子的大小，就可使粒子发射或吸收特定波长（颜色）的光。发光半导体量子点（QDs）是纳米尺寸大小的粒子，其光学和电子特性受粒子尺寸的控制。单个分子或半导体固体块一般不具有量子点独特而迷人的光学特性。

在量子点众多依赖尺寸的特性中，有两个是特别重要的：

1）当纳米粒子的直径低于一个特定的值时，带隙能量的蓝移（增加）取决于半导体类型，这就是量子限制效应。这个效应可调整随量子点尺寸变化的能隙。带隙能量也取决于半导体的构成及其大小。(www.daowen.com)

2）第二个重要特征是离散特性。由于量子点中的原子数量比块体中的少，其能态是分立的。这导致各能级的电子态呈现出更类似原子的波函数[贝拉等（Bera et al.），2010]。

杰奎因等（Joaquin et al.，2011）对量子点荧光的机制做出了解释，量子点显示了介于分子和块体半导体之间的电子能态分布（图3.2a～c）。块体半导体的特点是带隙能量（E_g）取决于半导体的构成，并与激发电子从基态价带到导带所需的最低能量相符。当在基态价带的电子吸收能量超过带隙能量（E_g）时，它被激发到导带，产生了激子（负电子和正空穴对）。激子湮灭（例如，通过发射光子）称为辐射复合。激子具有有限的纳米尺寸，其尺寸由玻尔激子直径（a_B）决定。如果纳米晶体的尺寸小于激子的尺寸，载流子会受到空间的限制并增加能量。在这种量子局限情况下，光学和电子性质取决于纳米晶体尺寸。化学蚀刻纳米材料形成了腐蚀缺陷，纳米粒子的表面会产生扩展缺陷。在相对较小的纳米粒子中，这些缺陷占主导地位，这是因为相对较小的纳米粒子的表面可能有1/3～1/2的原子。表面缺陷的存在会改变发光机制，如图3.2d所示。大量原子位于或靠近纳米粒子的表面，除吸附杂质外，导致了悬键和缺陷的存在。这产生了表面态，其可作为陷阱或产生非常复杂的发光谱的重组位点。另外，基于表面缺陷的发光机制被用来制作光盘。这一机制表明，有着相似表面钝化但大小不同的碳量子点，最小的具有高荧光性。存在于费米能级附近的表面缺陷态，可以对在通常情况下观察到的最大发射波长和发射线形状对激发波长产生依赖的情况做出解释。

图3.2 半导体的电子能态 （a）单分子 （c）块体材料 （b）纳米材料，此处观察到量子限制 （d）块体材料电子能态中存在表面缺陷态的影响 Adapted from Joaquin C.G.，Helena，G.2011，Trends in Analytical Chemistry.