2023年诺贝尔化学奖颁给了蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)、阿列克谢·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov)，以表彰他们在量子点的发现和发展方面的贡献。


诺贝尔化学奖为啥颁给了物理学？量子点究竟是个啥？


诺贝尔：100年后还有诺贝尔化学奖吗？


诺贝尔化学奖委员会：祖师！没有了，只有诺贝尔理综奖。


一直以来，诺贝尔化学奖都有理综奖的别称，常常颁发给生命科学领域。


今年却显得更加偏门，颁给了物理学领域（虽然曾经也抢过，但大多还是被生命科学抢去了）。


虽然诺贝尔奖委员会搬出了化学性质的经典定义：元素的性质取决于它拥有的电子数量。


然而，蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)、阿列克谢·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov)三人，之所以获奖的量子点——其核心却是量子效应。



图/诺奖官网


而且和昨天的诺贝尔物理学奖阿秒物理学一样，都涉及到和电子相关的量子力学效应。


要知道这个量子点是什么，我们还需要了解一些铺垫性知识：


我们知道，阳光照射物质会呈现出不同的颜色，产生不同颜色的原理，有多种，例如：


1. 色散：阳光不同成分折射率不同，遇到三棱镜等特殊构造的玻璃，会出现色散现象。


2. 反射/透射：材料吸收了一定颜色的光，表现出剩余光的颜色。例如叶绿体的绿色。


3. 激发：材料的电子吸收能量，然后释放能量，激发出光子。根据能量的来源，又可以分成电致发光、光致发光、声致发光等等。


例如，LED灯是电致发光；日光灯则是光致发光。灯管内气体放电产生紫外线，然后激发管壁上的发光粉而发出白光；而螳螂虾一拳打出2万℃并发光，便是声致发光。


很多发光材料，同时包含多种激发发光过程。但无论是哪一种发光形式，都涉及到电子吸收能量，轨道跃迁、轨道跌落，然后以光子的形式释放能量。



如果现在给你一个自由创造大量颜色的任务，你会选择以上哪几种？


很明显，第1种和第2种都需要直接pass，无论怎么对光进行色散/吸收/反射，分离的也是现成的光，而不能创造光。


只有第3种才能自由创造各种颜色的光。


而三位科学家创造的量子点，正是这种材料，利用接近第3种的原理，创造出了丰富多彩的颜色。


要理解量子点的原理，这里又还需要铺垫一点半导体相关的知识：量子点本质上就是一种纳米级电子半导体材料，是通过电子与空穴复合来释放能量发光的。


电子空穴是什么？


为了方便理解，这里先用半导体二极管原理来解释。


碳、硅、锗、锡、铅等IV族元素，最外层具有4个价电子，它们很容易形成稳定的共价键结构，所以不容易导电。但如果加入不同的杂质便可能改变它们的导电能力。



拿硅来举例，如果向硅晶体加入硼杂质，那么当硼与硅形成共价键后，便会少一个电子，从而出现“空穴”。这样的半导体很容易获得电子，因此被称为P型半导体（P为Positive缩写，为正极）。



相反，如果向硅晶体加入磷杂质，那么磷最外层的5个电子与硅形成共价键后，就会多出一颗电子，从而容易失去电子，因此被称为N型半导体（N为Negative缩写，为负极）。


如果把P型半导体和N型半导体结合在一起（简称PN结），那么电子就会从N向P扩散。



如果通上相同方向的电源，那么就会形成电流。如果通电方向相反，则不会导电。



显而易见，PN结和电子二极管一样，都具有单向导电性。


LED灯的光，则是通过电子与空穴复合，而产生的电致发光。


这个过程，虽然从原子层面来说，电子已经从一个原子跑到了另外一个原子上，然而不同的电子性质是一样的，一个电子获得能量离开空穴时，相当于一个跃迁过程。而进入另外一个空穴，本质上相当于跌落轨道的过程，因此多余的能量会以光子的形式得到释放。


而量子点发光的时候，本质上是创造了纳米级的“PN结”，来达到电子-空穴复合发光的过程。


当然，这里的“PN结”并不叫PN结，而是叫做电子—空穴对。


a-光致发光；b-电致发光


对于光致发光的量子点来说，光激发的同时就会产生电子-空穴对。


电致发光的量子点，则依赖电子-空穴对的传输和注入（更加接近于纳米级的LED灯）。


一般通过外部电极、掺杂、应变、杂质等多种形式来产生电子-空穴对。


对比昨天的物理学诺贝尔奖，我们可以发现，量子点和阿秒物理学相似之处还真是不少。都是从宏观到微观，最终达到电子层面。


既然“电子-空穴对”导致的发光，和原子发光都是相似的量子效应，这就决定了它存在一个尺度上限。


1980年，阿列克谢·伊基莫夫（获奖第三位），成功在有色玻璃中创造出了，能通过量子效应影响玻璃颜色的氯化铜纳米颗粒[1]。


本质上，他创造出了最早的量子点。


1983年[2]，路易斯·E·布鲁斯（获奖第二位）则首次证明了，量子点的量子效应是存在尺度上限的，而且，激发出来的光波长，随着量子点尺度大小的变化而变化，这背后的原理涉及到量子限域效应（当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级）。


一般来说，量子点往往2~20nm大小，拥有1~100个电子-空穴对，最多拥有数千个原子。


1993年，蒙吉·G·巴文迪（获奖的第一位）则是通过改进化学生产方法，制作出了几近完美的量子点[3]。


这个方法本质上是一种晶体生长方法（或化学溶液生长法）：



虽然合成用了化学方法，但21世纪之后，还发展出了其它非化学的合成方法。虽然量子点的发现，最开始是胶状溶液中，但后来与传统化学越来越远。


简单来说，就是把能形成硒化镉（或硫化镉、碲化镉）的物质（硫、硒、碲的三正辛基氧膦溶液+二甲基镉）注射进入200~300℃的热溶剂中，生成硒化镉（或硫化镉、碲化镉）。


一直注射到针头周围溶剂饱和，从而产生硒化镉小晶体。


随着溶剂冷却，晶体就会停止生长。


这个时候，再次加热，晶体就会持续增长，而且加热时间越长晶体就越大。因为量子限域效应，不同大小的晶体，可以产生不同颜色的光。


通过自由控制，便可以覆盖从蓝到红的所有可见光。


量子点一般由IV、II-VI，IV-VI、III-V等元素组成，例如硅、锗、硫化镉、硒化镉、碲化镉、硒化锌、硫化铅、硒化铅、磷化铟、砷化铟等等，大体上还是半导体材料。


巧合的是，半导体产业中的PN结制造方法，也有晶体生长技术。可以看出量子点和半导体二极管的确很有相似之处，很像一个纳米二极管。通过量子点来制造芯片，其实也是量子芯片的一个发展方向之一。


随着工艺越来越复杂，量子点可涉及到电致发光、光致发光、声致发光等多种发光方法。


最早广泛利用量子点的其实是生物学领域。


1997年开始，质量越来越高的量子点开始作为生物探针来使用，例如生物荧光标记可直接用于活体细胞。不仅在21世纪，助力分子、细胞生物学迅猛发展，还掀起了量子点研究热潮。


量子点具有自由可控、稳定性高、兼具宽窄发射谱、较大斯托克斯位移、生物相容性好、寿命长等各种优点。时至今日，已经广泛应用于各种材料领域，尤其是量子点显示技术（QLED）在电视和电脑色彩显示上的飞速发展。


总的来说，无论在生命科学研究、光学（显示/色彩）运用，还是在未来芯片研发领域，量子点都具有广阔的前景。


蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)、阿列克谢·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov)三人的贡献，正在改变我们的现在和未来。


他们获得诺奖，实至名归。


参考文献

[1] Ekimov A I. Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystals[J]. Jetp Lett.， 1981， 34: 345.

[2] Brus L E. Electron–electron and electron‐hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state[J]. The Journal of chemical physics， 1984， 80(9): 4403-4409.

[3] Murray C B， Norris D J， Bawendi M G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E= sulfur， selenium， tellurium) semiconductor nanocrystallites[J]. Journal of the American Chemical Society， 1993， 115(19): 8706-8715.


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