蒙吉·G·巴旺迪 (Moungi G. Bawendi)，路易斯·E·布魯斯(Louis E. Brus) 和阿列克謝·埃基莫夫(Alexei I. Ekimov)因發現和合成量子點（quantum dots）而被授予2023年諾貝爾化學獎。

 

2023年諾貝爾化學獎頒發給量子點的事實顯示了物理、化學和材料科學之間的密切關系。同時，化學領域也與生命科學息息相關，這也是為什么化學獎有時會授予與生命科學相關研究的原因。

 

 

什么是量子點？

 

 

量子點是一種納米級別的半導體材料結構，其尺寸約為幾納米至十幾納米。它由數十個甚至數百個原子組成，呈現出特殊的物理和化學性質。

 

在量子點中，電子受限于三個空間方向上的限制，形成了"限制態"，使得電子的能量呈現離散的能級。這使得量子點具有許多獨特的特性，如量子尺寸效應、發光性質和電子輸運性質等。

 

 

 

量子點往往僅由數千個原子組成。尺寸上而言，量子點相較于足球，大約就相當于足球之于地球。

 

 

量子點合成化學發展

 

 

1970年代早期，Alexei I. Ekimov在固態物理研究中首次觀察到了納米級別的半導體顆粒，這就是最早的量子點現象的發現之一。他使用堿金屬在玻璃基底中生長了CdS納米晶體，并通過光譜技術證實了這些納米晶體的量子尺寸效應。1980年代，許多研究人員開始對量子點進行深入研究，特別是在半導體領域。他們發現，當半導體材料的尺寸縮小到納米級別時，材料的光電性質會發生顯著變化，如能帶結構、光吸收和發射等。

 

以Louis E. Brus為代表的科學家們開創了用溶劑合成量子點的新方法。他們首次報道使用有機表面配體包裹納米晶體的策略，從而穩定了量子點溶液，并實現了對其光學性質的調控。隨后的幾年里，Moungi G. Bawendi改進了合成量子點的技術，確保了其高質量。這一創新成果為當今納米技術中量子點的應用提供了重要的前提條件。

 

由于合成化學的進步，量子點這一材料家族不斷壯大并呈現出更多的可能性。現在已經有了各種各樣的方法來調控量子點的形貌和結構，使得其具備特異性能的功能單元不斷涌現。

 

量子點的應用

 

量子點具有許多獨特的物理和化學性質，因此在各個領域都有廣泛的應用，以下是其中幾個主要的應用領域：

 

顯示技術：量子點可以作為高效、高色彩飽和度的顯示顏料，替代傳統的熒光體系。尤其適合LED背光源、寬色域電視、超高清顯示等應用，具有廣闊市場前景。

光催化：由于量子點具有良好的光穩定性、強化學修飾能力和可控尺寸等優良性質，因此被廣泛研究和應用于催化反應、新能源產生和環境污染處理等領域。

生物醫學：量子點的較小粒徑、生物相容性和熒光等性質使其成為重要的生物標記物和成像劑，例如癌癥診斷、細胞跟蹤、藥物遞送等領域。

太陽能電池：量子點的帶隙結構與太陽光譜的吸收范圍相匹配，可作為新型太陽能電池體系的發光層，在提高光電轉換效率的同時降低成本、減少環境污染等方面具有潛在優勢。

納米光子學：量子點具有極小的尺寸和強烈的熒光，因此受到納米光子學領域的高度關注，可以被應用到基于單光子發射的信息存儲、傳輸和處理等方面。

 

 

除此之外，還有許多其他領域對于量子點也有相關的應用，例如傳感器、安全防偽、生物檢測等領域。可以預見，隨著對量子點的進一步深入研究，還有很多關于令人驚嘆的量子現象需要探索，其應用領域也將會不斷拓展。

 

 

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