量子點(quantum dot)
想像一個小到裡面的電子只能佔據幾個明確定義的能階的盒子,恰如單一原子的電子能階——只是這個盒子是你設計出來的一整顆微小晶體。這就是量子點:一顆在三個方向上都小到足以讓電子被量子局限的奈米晶。因為它從四面八方把電子圍住,所以被稱為零維結構——沒有任何一個方向能讓電子自由遊走。人們常把量子點叫做人造原子,因為它們離散、可調的能階模仿了真實原子那清晰的能階。
具體來說,量子點通常是一顆半導體奈米晶(硒化鎘、硫化鉛、砷化銦或鈣鈦礦),大小約在 2 到 10 奈米之間——幾千個原子。三個方向都被局限,意味著能隙、也就是它吸收或發出的光的顏色,由點的直徑決定:做小一點,能隙朝藍變寬;做大一點,能隙朝紅變窄,遵循同樣約為 1 除以尺寸平方的盒中粒子縮放。點可以用濕式化學在燒瓶裡長出(膠體量子點),也可以把一種半導體以小島狀沉積在另一種上而建成(自組裝磊晶量子點)。
對本領域而言,結構上的重點很簡單:量子點只不過是透過局限這副眼鏡去看的一顆奈米晶。它的威力來自這個組合——一個真實的結晶結構,其尺寸可以由你調控,而它的光學與電子行為都跟隨尺寸。這正是為什麼量子點能為量子點電視調出紅與綠、在生物影像中標記細胞、並作為單光子源;每一種情形裡,做工的都是那個結構(一顆尺寸受控的零維奈米晶)。
現代量子點電視的背光層含有微小 CdSe 或 InP 點的薄膜。藍光 LED 照到薄膜,約 6 奈米的點重新發出純紅、約 3 奈米的點重新發出純綠,給出比舊螢幕更廣、更飽和的色域。整個訣竅就在於挑選點的直徑——這是奈米結構的事,而非新化學。
一個零維結構:在三個方向都被局限,量子點的發光顏色由它的直徑決定。
真實的量子點通常會包覆一層能隙較寬的半導體殼層與有機配位基,因為它巨大的表面體積比使裸露的表面原子會捕捉電荷、淬滅發光。「人造原子」的說法是個好用的比喻,而非字面上的主張——一顆點裡仍有數千個真實原子排在真實的晶格中。