北京時(shí)間10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國科學(xué)家Moungi G.Bawendi、Louis E Brus，俄羅斯科學(xué)家Alexei l.Ekimov，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)和合成“量子點(diǎn)”方面所作出的貢獻(xiàn)。

三位獲獎(jiǎng)?wù)咴诹孔狱c(diǎn)方面的貢獻(xiàn)各有側(cè)重。

其中Bawendi的貢獻(xiàn)在量子點(diǎn)的化學(xué)制備方面。他革新了量子點(diǎn)的化學(xué)生產(chǎn)方法，使得量子點(diǎn)的質(zhì)量大幅提高，并為其在各種應(yīng)用中的使用鋪平了道路。

而俄羅斯科學(xué)家Ekimov早在20世紀(jì)80年代初，就成功地在有色玻璃中實(shí)現(xiàn)了與大小相關(guān)的量子效應(yīng)。他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了納米顆粒的尺寸可以通過量子效應(yīng)來控制材料的性質(zhì)，為后續(xù)的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Brus是首位證明自由浮動(dòng)納米顆粒具有與大小相關(guān)的量子效應(yīng)的科學(xué)家。他的研究為理解和利用納米顆粒的量子特性提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并推動(dòng)了納米技術(shù)的發(fā)展。他的工作對于電子學(xué)、光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

盡管科學(xué)家對量子點(diǎn)的研究已經(jīng)有40多年，但這一獎(jiǎng)項(xiàng)來得不算太遲，因?yàn)?ldquo;量子點(diǎn)”這一神奇材料的制造，正在跟21世紀(jì)科技大潮結(jié)合，與其他新興技術(shù)和新材料結(jié)合，使其應(yīng)用潛力正逐漸被科學(xué)家深度挖掘。比如在柔性電子、微型傳感器、更薄的太陽能電池和加密量子通信方面，都可做出貢獻(xiàn)。量子點(diǎn)作為一股改變未來科技的力量正開始發(fā)揮更大作用。

01

人造原子

量子點(diǎn)其實(shí)不是點(diǎn)，而是具有獨(dú)特光學(xué)和電子特性的微小半導(dǎo)體粒子。我們知道，物質(zhì)都是由原子或分子組成，而量子點(diǎn)是由幾十個(gè)或數(shù)千個(gè)原子組成，是尺寸一般小于20納米的半導(dǎo)體顆粒。有時(shí)又被稱為“人造原子”或“超晶格”。

這種納米級的顆粒到底有多小呢?對比一下就大概知道了，量子點(diǎn)比人的頭發(fā)直徑還細(xì)10000倍(人的頭發(fā)直徑大約為 10 萬納米)。也有人更形象描述它的“小”，一個(gè)量子點(diǎn)與一個(gè)足球的對比，正如足球與地球的對比。

圖說：量子點(diǎn)是一種晶體，通常由幾千個(gè)原子組成。就大小而言，它與足球的關(guān)系就像足球與地球大小的關(guān)系一樣。

來源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

這些細(xì)小的顆粒在化學(xué)成分上和較大的晶體顆粒雖然相同，但當(dāng)物質(zhì)縮小到納米尺寸時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)量子現(xiàn)象，它們運(yùn)作時(shí)遵循量子物理規(guī)律。這意味著，與較大的粒子不同，量子點(diǎn)能夠根據(jù)能量的變化(例如光)改變其特性。這是因?yàn)樵跇O小的尺度之下，這些微小顆粒中的電子狀態(tài)發(fā)生了變化。

圖說：量子點(diǎn)指的是一些非常微小的納米晶體顆粒

量子點(diǎn)具有許多特性，如具有巨電導(dǎo)，可變化的帶隙，可變化的光譜吸收性等。

量子點(diǎn)最突出的一個(gè)光學(xué)性質(zhì)在于，在受到激發(fā)之后，它們會(huì)發(fā)出不同顏色的、高質(zhì)量的單色光。光的具體顏色和納米小顆粒的尺寸密切相關(guān)：尺寸相對較大時(shí)，光的顏色會(huì)偏紅，而隨著尺寸縮小，光的顏色會(huì)越來越偏藍(lán)。

Brus和Ekimov等科學(xué)家將這一尺寸相關(guān)的現(xiàn)象描述為量子限域效應(yīng)(quantum confinement effect)。

盡管理論上已經(jīng)有所發(fā)現(xiàn)，但如何高效制造出質(zhì)量穩(wěn)定的量子點(diǎn)，困擾了科學(xué)界相當(dāng)長一段時(shí)間。

上世紀(jì)80年代初，在蘇聯(lián)科研機(jī)構(gòu)工作的Ekimov在玻璃基質(zhì)中合成了量子點(diǎn)，并于1981年在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表他的成果。而美國的Brus也在膠體溶液中合成了量子點(diǎn)，并于1983年發(fā)表了研究成果。

當(dāng)時(shí)美蘇兩國處于敵對狀態(tài)，信息并不相通，只能說兩位科學(xué)家“英雄所見略同”，他們基于不同的材料體系，都為量子點(diǎn)相關(guān)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

到了1993年，美國麻省理工學(xué)院的Bawendi在高效合成高質(zhì)量量子點(diǎn)方面取得進(jìn)一步突破。Bawendi的團(tuán)隊(duì)將能夠形成納米晶體的物質(zhì)注入一種被加熱的特殊溶劑中，并精確控制其中的飽和度，從而生成非常微小的晶體胚。團(tuán)隊(duì)再通過對溶劑溫度的調(diào)整，最終生成了尺寸一致的量子點(diǎn)。

這一方法相比以往更簡單高效，讓更多科研人員有機(jī)會(huì)探索量子點(diǎn)的特性和潛在應(yīng)用。

02

量子點(diǎn)跟鈣鈦礦結(jié)合，有望替代硅晶太陽能

量子點(diǎn)的特性，使其在很多領(lǐng)域有廣泛的用途。目前比較普遍的使用是液晶顯示領(lǐng)域。LED(發(fā)光二極管)背光光源的色彩經(jīng)過量子點(diǎn)技術(shù)的轉(zhuǎn)化，能夠在屏幕上實(shí)現(xiàn)更好的紅、綠、藍(lán)三基色，帶來更廣的色域，一些廠家已經(jīng)在此基礎(chǔ)上推出QLED電視。

隨著元宇宙、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，未來各類電子設(shè)備上大大小小的顯示屏也有望在量子點(diǎn)技術(shù)的助力下，給人們帶來更好體驗(yàn)。

在更專業(yè)的層面，量子點(diǎn)穩(wěn)定的發(fā)光特性使其成為很好的熒光標(biāo)記材料，在生物監(jiān)測和醫(yī)學(xué)成像方面有良好應(yīng)用前景，醫(yī)生有望借助量子點(diǎn)來高效發(fā)現(xiàn)患者體內(nèi)的腫瘤組織。

同時(shí)，紅外探測成像、光催化、量子光源等領(lǐng)域的應(yīng)用也獲得長足的發(fā)展。

這里需要特別介紹的是量子點(diǎn)在太陽能電池方面的應(yīng)用。量子點(diǎn)在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是調(diào)節(jié)光帶吸收、光電轉(zhuǎn)換以及載流子運(yùn)輸，從而提高光伏電池的效率。在當(dāng)前的TOPCON電池以及鈣鈦礦電池都有應(yīng)用，現(xiàn)在算是光伏一種常用技術(shù)手段。

太陽能的主要挑戰(zhàn)之一是傳統(tǒng)太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率有限。這是由材料性質(zhì)決定，太陽發(fā)出從紫外線到紅外線等不同顏色的光，但晶硅太陽能電池只能吸收太陽光譜中的一小部分，導(dǎo)致其最大理論轉(zhuǎn)化效率約為 33%。這又被稱為 Shockley-Queisser 極限。

轉(zhuǎn)化效率，一直是提高太陽能電池性能的長期障礙。現(xiàn)在量子點(diǎn)有可能克服這一限制，并顯著提高太陽能轉(zhuǎn)換效率。

量子點(diǎn)的獨(dú)特性質(zhì)，源于它們的小尺寸和量子限制效應(yīng)。這種效應(yīng)導(dǎo)致在量子點(diǎn)中，電子的能級變得離散，而不是像塊狀材料中那樣連續(xù)。因此，量子點(diǎn)可以被設(shè)計(jì)成具有對應(yīng)于不同波長的光的特定能級。這種可調(diào)性使它們能夠吸收比傳統(tǒng)太陽能電池更廣泛的太陽光譜，從而有可能將其效率大大提高到Shockley-Queisser 極限以上。

量子點(diǎn)的巨電導(dǎo)，可變化的帶隙，可變化的光譜吸收性等特性，使得量子點(diǎn)太陽能電池可大大提高光電轉(zhuǎn)化率，與目前的多晶硅太陽能電池相比，生產(chǎn)能耗可減少20%，光電效率可增加50%至1倍以上，并降低昂貴的材料費(fèi)用。

比如量子點(diǎn)增強(qiáng)TOPCon電池，該電池是在量子點(diǎn)增強(qiáng)硅基底上制備的topcon電池，可以提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和量子效率。量子點(diǎn)增強(qiáng)TOPCon電池的效率可達(dá)到26.7%以上。

再比如，量子點(diǎn)跟鈣鈦礦相結(jié)合，有望替代傳統(tǒng)硅晶太陽能。

鈣鈦礦是一種具有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)的材料，使其能夠高效吸收光、并將其轉(zhuǎn)化為電能。通過將鈣鈦礦材料與量子點(diǎn)相結(jié)合，研究人員已經(jīng)能夠制造出比單獨(dú)使用量子點(diǎn)效率更高的太陽能電池。

這些混合鈣鈦礦-量子點(diǎn)太陽能電池，有可能在未來的若干年內(nèi)，通過更高的效率、更低的成本，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)晶硅太陽能電池的替代，并徹底改變太陽能行業(yè)。

除了具有提高太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的巨大潛力外，量子點(diǎn)還能夠?yàn)樘柲苁占峁┢渌矫娴膬?yōu)勢。比如，它們的小尺寸和可調(diào)特性，使它們非常適合用于靈活輕便的太陽能電池板。這些太陽能電池板可以很容易地集成到從可穿戴電子產(chǎn)品、到建筑一體化光伏的廣泛應(yīng)用之中。

此外，量子點(diǎn)在生產(chǎn)方面，可以使用低成本和可擴(kuò)展的基于溶液的方法進(jìn)行合成，從而使其成為可供大規(guī)模生產(chǎn)太陽能電池的有吸引力的選擇。