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量子点五大应用领域介绍

2018年02月05日 14:55 次阅读

量子点 (quantum dot)是准零维 (quasi-zero-dimensional) 的纳米材料,由少量的原子所构成。粗略地说,量子点三个维度的尺寸都在 100nm以下,外观恰似一极小的点状物,其内部电子在各方向上的运动都受到局限,所以量子局限效应 (quantum confinement effect)特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构,因此量子点又被称为「人造原子」(arTIficial atom)。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点,并预期这种奈米材料在二十一世纪的纳米电子学 (nanoelectronics)上有极大的应用潜力。但并非小到 100 nm 以下的材料就是量子点,真正的关键尺寸是由电子在材料内的费米波长来决定。一般而言,电子费米波长在半导体内较在金属内长得多,例如在半导体材料砷化镓 GaAs (100)中,费米波长约 40nm,在铝金属中却只有 0.36 nm。

领域一:能源领域的应用

量子点制备的初衷即为能源应用。随着工业发展,当今能源需求日益増加,如何解决能源危机已经成为当前热口。相较其它方面而言,太阳能属于蕴藏量巨大且可再生资源,同时也是环保无污染资源。因此如何有效的开发太阳能电池是目前在能源利用方面千分重大的课题。目前最常见的珪晶太阳能电池受限于热载流子的浓度,其上限很难超过32%,然而量子点作为窄带隙材料,可以大幅度提高光能利用率,增加太阳能电池的转化效率。量子点太阳能电池的优点是显而易见的,一是量子点拥有较高的载流子迁移率,可以大幅度增加光电转化效率;二是带隙可调节,这不仅可以使激发光谱覆盖太阳光谱,增加光能利用率,还可让量子点在特定环境中工作。量子点在太阳能电池领域有着巨大的潜力与优势。

量子点五大应用领域介绍

领域二:在太阳能电池中的应用

量子点太阳能电池是第三代太阳能电池,也是目前最尖端、最新的太阳能电池技术之一。它主要通过两个效应来大幅度增加光电转换效率:第一个效应是来自具有充足能量的单光子激发产生多激子;第二个效应是在带隙里形成中间带,可以有多个带隙起作用,来产生电子空穴对。此外,它还可通过其它效应,减缓热电子-空穴对的冷却、提高电荷载流子之间的俄歇复合过程和库仑耦合、并且通过对于载流子进行三维限制,使跃迁过程不必满足动量守恒,从而提高转换效率。

量子点太阳能电池有着良好的应用前景,其中量子点敏化太阳能电池距离商业化应用最为接近,但真正意义上的量子点太阳能电池,还有待深入研究。

量子点五大应用领域介绍

领域三:在显示领域的应用

量子点技术能发挥用途的领域主要有:LED、太阳能电池和生物-医学标记三个。但我个人认为真正能够比较快的进入到人类生活的还是LED照明领域。

第一代量子点技术的应用是”光致发光“元件。在蓝光LED前面加上分布有绿色和红色量子点的膜,就可以发出液晶显示器所需要的白色背光。量子点白光背光源和传统白光背光源相比,红、绿、蓝三原色的色纯度很高,在光谱图中看就是有三个非常明显的”峰“,而不是普通LED背光源那样是一片平坦而连续的白光。

量子点五大应用领域介绍

发光的量子点主要解决了传统液晶显示色域过小的致命问题。即便是目前行业里最新的BT2020色域,量子点理论上也可以做到接近100%。现在市面上的量子点电视(聚合阅读)机色域基本可以达到BT2020的65%-90%不等(普通液晶屏幕,包括苹果手机屏幕,只能覆盖50%左右的BT2020色域)。

领域四:在医学领域的应用

量子点最有前途的应用领域是在生物体系中作为荧光探针。理想的荧光探针必须能够与相应的细胞发生特异性的结合,通常荧光探针要满足以下要求:

a)必须具有足够的稳定性;

b)必须具有水溶性;

c)低毒或无毒,而且不损伤细胞;

d)必须具有足够强的荧光以便能满足于观察和研究。

量子点五大应用领域介绍

而利用量子点作为荧光探针恰恰具备了以上的所有特点。量子点技术,因其所拥有的独特的标记特点,必将成为今后生物分子检测的尖端技术,从而推动生物显像技术和生物制药技术的迅速发展,给疾病的诊断和治疗带来巨大进步。目前,结合流式细胞术,将量子点标记用于微流控芯片免疫分析也是一个方兴未艾的研究方向。

领域五:生物领域的应用

量子点在生物上的应用最为广泛也最为成熟,主要分为细胞成像和分子示踪这两方面。

细胞成像

现代医学己经到了一个全新的高度,研充者不仅可以定量研究药物的疗效,甚至能够实时监测药物的作用机制,因此,相应的细胞标记技术便成了至关重要的技术手段。与传统荧光材料相比,量子点具有宽吸收谱、窄荧光谱、高稳定性的特点,而能更好的应用于生物标记、细胞成像。

量子点五大应用领域介绍

分子示踪

相较于细胞标记,分子示踪对技术要求更进一步。在实际临床上,研究者不仅可以检测细胞的动向,同时可以定向研究药物在病体中的趋势,具有实时分析的重要意义。

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