如何让明亮的量子点更亮，科学家说要让它快乐起来

量子点是一种人造原子：只有几纳米大小，由半导体材料制成，它们可以发出特定颜色甚至单个光子的光，这对量子技术很重要。量子点商业化的发现者和先驱者被授予2023年诺贝尔化学奖。

近年来，由钙钛矿制成的量子点引起了人们的特别关注。钙钛矿属于一类与矿物钙钛矿（钛酸钙）结构相似的材料。苏黎世联邦理工学院于2015年首次生产了由这种材料制成的量子点。

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亮；还能以更便宜的价格生产，这使得量子点技术在显示器领域被广泛应用。

由苏黎世联邦理工学院的Maksym Kovalenko和Empa领导的研究小组与乌克兰和美国的同行合作，现在已经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，这在钙钛矿量子点中从未观察到过。研究人员最近在《自然》杂志上发表了两篇论文，提到了一种方法让这些明亮的量子点快乐起来，变得更亮。

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有关。量子点在被激发后辐射特定颜色的光子，例如，被更高频率的紫外线激发。

这导致形成一个由电子组成的激子，以及材料高能带结构中的空穴，该电子现在可以更自由地移动——换句话说，一个缺失的电子。被激发的电子回落到较低的能量状态，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，则量子点会发光。

然而，这并不总是有效。“在钙钛矿纳米晶体的表面是'不快乐'的原子，它们在晶格中缺少一个邻居，”高级研究员Gabriele Raino解释说。这些边缘原子会扰乱纳米晶体内部正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”，这意味着它不会连续发光。

02 磷脂制成的保护涂层让量子点变快乐

为了防止这种情况发生，科瓦连科和他的团队开发了被称为磷脂的定制分子。“这些磷脂与脂质体非常相似，例如，针对冠状病毒的mRNA疫苗以使其在血液中稳定，直到到达细胞的方式嵌入其中，”Kovalenko解释说。

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”的原子提供电荷伴侣。

磷脂的非极性部分突出在外部，也可以将量子点变成有机溶剂等非水溶液内的分散体。钙钛矿纳米晶体表面的脂质涂层对其结构稳定性也很重要，正如科瓦连科强调的那样：“这种表面处理绝对适用于我们可能想要对量子点做的任何事情。到目前为止，科瓦连科和他的团队已经展示了由卤化铅钙钛矿制成的量子点的处理方法，但它也可以很容易地适应其他金属卤化物量子点。

03 量子力学——超辐射让量子点更加明亮

通过脂质表面，可以减少量子点的闪烁，从而在95%的电子-空穴复合事件中发射光子。然而，为了使量子点更加明亮，研究人员必须提高重组本身的速度，而这需要量子力学。

研究人员能够通过实验证明，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，它遍布量子点的整个体积，从而产生了自己的几个副本。量子点越大，可以创建的副本就越多。这些拷贝可以带来一种被称为超辐射的效应，通过这种效应激子可以更快地重组。

因此，量子点也可以更快地吸收新的激子，因此每秒可以发射更多的光子，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（而不是一次发射多个光子），这使得它适用于量子技术。

Kovalenko说，改进的钙钛矿量子点不仅对光的产生和显示感兴趣，而且在其他不太明显的领域也感兴趣。例如，它们可以用作有机化学中的光活化催化剂。科瓦连科正在对此类应用和其他几种应用进行研究，包括在NCCR催化的框架内。

原文：

How to make bright quantum dots even brighter (phys.org)