如何让明亮的量子点变得更亮

量子点是一种人造原子：尺寸只有几纳米，由半导体材料制成，可以发射特定颜色的光甚至单个光子，这对于量子技术非常重要。量子点商业化生产的发现者和先驱者荣获2023年诺贝尔化学奖。

近年来，由钙钛矿制成的量子点引起了特别关注。钙钛矿属于一类与矿物钙钛矿(钛酸钙)具有相似结构的材料。苏黎世联邦理工学院于2015年首次生产出由此类材料制成的量子点。

这些由钙钛矿纳米晶体制成的量子点可以与液体混合形成分散体，这使得它们易于进一步加工。此外，它们特殊的光学特性使它们比许多其他量子点更明亮。它们的生产成本也更低，这使得它们在显示器等领域的应用很有趣。

由苏黎世联邦理工学院和Empa的MaksymKovalenko领导的研究小组与乌克兰和美国的同行合作，现已展示了如何进一步改善钙钛矿量子点的这些有前途的特性。他们使用化学方法进行表面处理和量子力学效应，这是以前在钙钛矿量子点中从未观察到的。研究人员最近在《自然》杂志上发表了两篇论文，发表了他们的研究结果。

苏黎世联邦理工学院研究人员设计的磷脂分子在钙钛矿纳米晶体周围形成了一层保护层，使其能够分散在非水溶液中。它们还确保量子点更连续地发射光子。图片来源：科瓦连科实验室

不快乐的原子会降低亮度

亮度是量子点的重要衡量标准，与量子点每秒发射的光子数量有关。量子点在被激发后(例如，被更高频率的紫外光激发)辐射出特定颜色(以及频率)的光子。

这导致在材料的能带结构中形成由电子和空穴(换句话说，缺失的电子)组成的激子，该电子现在可以更自由地移动。激发的电子可以回落到较低的能态，从而与空穴重新结合。如果在此过程中释放的能量转化为光子，量子点就会发光。

然而，这并不总是有效。“钙钛矿纳米晶体的表面是‘不快乐’的原子，它们在晶格中缺少邻居，”高级研究员加布里埃尔·莱诺(GabrieleRaino)解释道。这些边缘原子扰乱了纳米晶体内部正电荷载流子和负电荷载流子之间的平衡，并可能导致复合过程中释放的能量转化为晶格振动，而不是以光的形式发射。结果，量子点“闪烁”，这意味着它不会持续发光。

磷脂制成的保护涂层

为了防止这种情况发生，科瓦连科和他的团队开发了一种称为磷脂的定制分子。Kovalenko解释说：“这些磷脂与脂质体非常相似，脂质体中嵌入了针对冠状病毒的mRNA疫苗，使其在血液中保持稳定，直到到达细胞。”

一个重要的区别是：研究人员优化了他们的分子，使分子的极性(电敏感)部分锁定在钙钛矿量子点的表面上，并确保为“不快乐”的原子提供电荷伙伴。

突出在外部的磷脂的非极性部分也使得量子点可以在非水溶液(例如有机溶剂)中分散。钙钛矿纳米晶体表面的脂质涂层对于其结构稳定性也很重要，正如Kovalenko强调的那样：“这种表面处理对于我们想要用量子点做的任何事情来说绝对是必要的。”

到目前为止，Kovalenko和他的团队已经展示了对由卤化铅钙钛矿制成的量子点的处理，但它也可以很容易地适用于其他金属卤化物量子点。

苏黎世联邦理工学院研究人员设计的磷脂分子在钙钛矿纳米晶体周围形成了一层保护层，使其能够分散在非水溶液中。它们还确保量子点更连续地发射光子。图片来源：科瓦连科实验室

得益于超级辐射，更加明亮

利用脂质表面，可以将量子点的闪烁减少到在95%的电子空穴复合事件中发射光子的程度。然而，为了使量子点更加明亮，研究人员必须提高复合本身的速度，而这需要量子力学。

当偶极子(正电荷和负电荷相对于彼此位移)与真空电磁场相互作用时，激发态(例如激子)就会衰变。偶极子越大，衰减越快。创建较大偶极子的一种可能性涉及将几个较小偶极子彼此相干耦合。这可以与机械连接的摆钟进行比较，并在一定时间长度后相互同步滴答作响。

研究人员通过实验证明，相干耦合也适用于钙钛矿量子点——只有一个激子偶极子，通过量子力学效应，散布到整个量子点的体积，从而创建其自身的多个副本，如下所示它是。量子点越大，可以创建的副本就越多。这些副本可以带来一种称为超辐射的效应，通过这种效应，激子重组速度要快得多。

因此，量子点也可以更快地吸收新的激子，从而每秒发射更多的光子，使其更加明亮。需要注意的一个重要细节是，更快的量子点继续发射单个光子(而不是一次几个光子)，这使得它适合量子技术。

科瓦连科表示，改进的钙钛矿量子点不仅对光产生和显示器感兴趣，而且还适用于其他不太明显的领域。例如，它们可以用作有机化学中的光活化催化剂。Kovalenko正在对此类应用和其他几个应用进行研究，包括在NCCR催化框架内。

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