2023年诺贝尔化学奖“量子点”是什么？

2023/12/27

2023年诺贝尔化学奖“量子点”

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用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是量子点？

量子点是非常小的半导体晶体，直径约为 2 至 10 纳米 (nm)。当这些非常小的半导体颗粒受到紫外线照射时，它们就会发光。此外，通过使这些颗粒变大或变小，可以改变发射光的颜色。更重要的是，它发出的光很强，可以发出各种颜色的光，从而可以创造出美丽的画面。目前，它用于液晶面板和电视、电脑显示器等显示设备。

2023年诺贝尔化学奖授予美国三人：麻省理工学院的Munji Bhavendi博士、哥伦比亚大学的Lewis Bruce博士和Nanocrystals Technology, Inc的Alexei Ekimov博士，以表彰他们发现量子点及其合成方法。量子点是纳米级的半导体颗粒。三位研究人员发现这些半导体颗粒根据其尺寸吸收不同波长的光，发明了一种合成尺寸均匀的细颗粒的方法，并成功地对表面进行了适当的处理以发光，从而使其得到了广泛的应用。我们采访了多年从事量子点研究开发的关西中心村濑盐雄，了解了最近获得的诺贝尔化学奖、他的成就、量子点发现的意义和应用等。

什么是量子点

(1) 什么是量子点？

　量子点是直径约为2至10纳米的半导体颗粒。由于它是半导体，所以存在分隔价带和导带的带隙，当它吸收紫外光等能量后恢复到原来的状态时，如果去除表面缺陷，就会发出与带隙能量相对应的波长的光。即使它们由相同的材料制成，它们也会发出不同颜色的光，因为带隙的宽度根据它们的大小而变化；使它们变小将发射波长较短的蓝光，相反，增加它们的尺寸将发射波长较长的红光。换句话说，通过改变颗粒的尺寸，可以发出所需颜色的光。下图显示了量子点如何发射光。即使是同一种材料，根据颗粒大小的不同，颜色也会有所不同。

　这种发射颜色的差异是由于量子力学中的“零点能量”根据粒子的大小而变化。也就是说，进入大学学习量子力学和量子化学时最初出现的“零点能量”变得可见了。它们被称为量子点，因为它们是视觉上代表量子力学世界的微小点。此外，“带隙加宽”现象在技术上被称为“量子尺寸效应”。

　当用作荧光粉时，可以制造出色彩清晰、明亮明亮的屏幕，因此已作为显示器投入实用。此外，预计还可用作植物工厂的光源和太阳能电池元件。

(2)量子点发光的利用和实际应用

量子点发光有两个特点。由于“量子尺寸效应”，发射光的波长分布窄，仅发射一种波长附近的光，并且发射的光强。当利用这两个特性应用于显示器时，可以创建高亮度和清晰的屏幕。最近，为了满足4K、8K等更高清晰度电视的需求，量子点电视已经商业化。

如今的量子点电视被归类为液晶电视，还有“QLED”等类型。通常，液晶面板上贴有彩色滤光片等各种薄膜来再现色彩。目前，使用传统LED和量子点材料的组合作为滤色片。使用量子点，可以实现比目前电视和智能手机中使用的有机EL更高的清晰度。另一方面，由于有机EL自身发光，因此不需要背光并且具有可弯曲的优点。我们并不认为其中一种比另一种更好，而是我们将根据应用继续开发利用每种特性的产品。此外，如果有效利用量子点的发光特性，预计将不需要使用液晶面板。如果未来的技术发展创造出一种不使用液晶面板的量子点电视，光线可以穿过而不会被各种薄膜衰减，从而可以创造出具有更高色彩再现性的更明亮的屏幕。

获得诺贝尔化学奖的要点

(1) 发光半导体粒子的发现

　Bruce博士和Ekimov博士发现，随着半导体晶粒变小，带隙变宽，吸收波长向较短波长侧移动，他们用数学公式定量地证明了这一点。 20 世纪 80 年代初，Bruce 博士在水溶液中的半导体颗粒中发现了这种现象，而 Ekimov 博士则在玻璃基质中发现了这种现象，两人都使用了不同的方法。

然后，到了 20 世纪 90 年代，Bavendi 博士发明了一种在溶液中制造尺寸均匀的量子点的方法，突然引起了公众的关注。诺贝尔奖委员会的评论也高度赞扬了巴文迪博士的工作，为量子点的实际应用铺平了道路。 Bavendi博士的研究导致建立了一种出色的合成方法，使颗粒尺寸均匀，没有表面缺陷，并有效地发射高度单色的光。

(2)量子点未来的用途是什么？

　量子点的应用不仅限于使显示器高亮度、高清晰度的可见光领域。利用容易穿透人体的近红外光有望为尖端医学领域做出贡献，例如诊断疾病和确定药物的有效性。例如，研究和开发正在进行中，将其用作荧光标记来检测隐藏在人体内的癌细胞。其他有前景的应用包括使用量子点为植物工厂照明，量子点在近红外区域发射光，促进植物生长，以及应用于太阳能电池板。通过在太阳能电池板中使用量子点，可以将光吸收范围从紫外光扩展到近红外光，使得吸收红外区域的太阳光成为可能，并且预计光电转换效率将比目前的太阳能电池板更高。

(3) 量子点的挑战是什么以及其广泛应用的关键是什么？

我认为量子点面临的挑战是避免毒性并提高耐用性。最初对量子点的发现和发展做出贡献的是使用高度成瘾的镉化合物（例如硒化镉（CdSe）和硫化镉（CdS））制成的量子点。最近，钙钛矿量子点（CsPbBr₃等）也已为人所知，但它们含有铅。根据欧盟法规，这些重金属被指定为对环境有害的物质。目前市售的使用量子点的电视被设计为在限制范围内使用受控物质。此外，为了避免对环境的影响，使用无毒磷化铟（InP）的量子点已成为主流，尽管其颜色不太鲜艳。

　除了所使用的无机材料的安全问题外，量子点还存在耐久性问题。由于量子点颗粒是纳米尺寸的，因此大部分组成原子沿着颗粒表面排列。这种晶体表面的缺陷对发光特性有显着影响。为了提高耐用性，有必要保护表面，但由于量子点具有晶体结构，试图用具有类似晶体结构的其他材料来保护它们是行不通的。目前，量子点分散在非晶态聚合物材料中，薄膜外部涂有包括玻璃在内的无机材料。

　由于量子点尺寸引起的颜色差异已经被使用了很长时间，但没有被认为是量子尺寸效应。一旦原理得到确认，我们就能够制造出相同尺寸的自己的产品，发光，并且现在已经将它们商业化。我本人于 2021 年成立了 AIST 技术转让企业，利用我长期参与研究的技术，以避免毒性和提高耐久性为主题。

　世界各地的竞争仍在继续，以开发进一步提高量子点发光性能并创造出具有更高耐用性和环境安全性的产品的技术。利用量子点独特特性的新应用也正在被发现。我期待未来如何利用量子点的发展。