出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系）

监制：中国科普博览

在上一篇文章中，我们介绍了今年获得诺奖的量子点，它是一种会发光的纳米颗粒，其颗粒尺寸通常在1—10纳米之间。从微观形态上来看，量子点一般由几十个原子组成，并且整体呈现球形或者类球形。因此，量子点并不是类似于原子或者电子的微观基本粒子，而是由一定数量原子构成的纳米颗粒。

量子点发光技术示意图

（图片来源：veer图库）

此外，量子点的发光特性可以调控其纳米尺寸来精确调节，从而可以发射出任意波长的光。在实际应用中，量子点在经过封装工艺处理后，具有十分稳定的发光特性，有望应用于发光显示等领域。

扫描透射电子显微镜下的InGaAs量子点颗粒（在GaAs基本材料生长）

（图片来源：Wikipedia）

可能会有好奇的小伙伴提出疑问：量子点既然只有纳米尺度这么小，那为什么不叫纳米点？量子点中的“量子”二字又体现在哪些方面呢？科学家在发现和制备量子点的过程中，又有哪些有趣的故事呢？

量子点中的量子效应

在微观世界中，我们需要用纳米（1纳米等于百万分之一毫米）作为长度单位来衡量物体的尺度。而一旦物体的大小降低到纳米尺度时，神奇的量子效应就会开始显现。

量子不是一种微观的基本粒子，而是代表能量的最小单位，也可以理解为能量子。而每个量子的能量极其微小，并且总是一份一份传递的，因而只有进入到纳米尺寸的微观世界中，我们才能觉察到量子的存在。

在宏观世界中，我们接触到的能量都在kJ（千焦耳）或者J（焦耳）的量级。例如，我们把一瓶普通的矿泉水从地面上捡起来，就需要大约5J的能量，而每个量子的能量大约只有5×10^-19J。因此，在平时的生活中，我们无法觉察到量子的存在。

量子就像宏观世界中的货币一样，只能以最小单位一份接一份地变化

（图片来源：veer图库）

而在微观世界中，物体的能量总是极其微小，因而我们能够开始觉察到量子的改变。

这时候，因为量子是能量的最小单位，所以只能一份接一份地非连续性变化。打个比方，我们在银行存取款时或者个人消费时，只能以人民币中的最小币值“分”进行结算，而不能以任意小数值进行交易。类似地，微观世界中的粒子能量不能选取任意的数值，只能以量子为最小能量单位，来一份接一份地非连续性变化。即，微观粒子的能量只能选取特定的离散值。

在早期的量子力学理论中，量子的这一特性也被称为量子化。随着量子力学理论的不断发展和完备，人们也开始发现，由少量微观粒子构成的纳米尺寸的颗粒，也会表现出一些奇妙的量子效应。

量子效应中最令人感到奇妙的是，微观世界中物体的物理性质竟然会随着尺寸而改变。也就是说，同种微观粒子构成的整体会随着整体尺寸的不同，而具有不同的物理特性。

量子力学示意图

（图片来源：veer图库）

对于量子点而言，其自身的量子效应体现在以下两点：其一，量子点的尺度非常小，也遵循量子力学中的量子化，因而量子点的能量也只能选取特定值；其二，随着量子点微观尺寸的改变，其自身的物理性质也会随之发生改变（例如，当量子点的尺寸越大时，量子点会发出波长更长的光）。

量子点：物理学家的敏锐发现

正如前文所说，量子点是微观世界中的奇妙物质，可它又是怎样被宏观世界里的人类所发现的呢？

量子点的发现要从我们房屋窗户上安装的彩色玻璃说起。早在几千年前，人们就发现在玻璃制备过程中掺杂同一种物质，就可以利用不同的温度制作出不同颜色的彩色玻璃。这在当时十分神奇，因为当时的人们认为只有加入不同的物质才能产生不同的颜色。

生活中五彩斑斓的彩色玻璃

（图片来源：veer图库）

于是，彩色玻璃的这个有趣现象引起了物理学家阿列克谢·伊基莫夫（Alexei Ekimov）的关注。

当时，他正在着手系统地研究彩色玻璃的内部机制。他选用氯化铜作为掺杂材料，来制备出不同颜色的彩色玻璃。在保持掺杂材料始终为氯化铜的前提下，他系统性地摸索彩色玻璃的加热温度，以及不同的加热时间对彩色玻璃最终颜色的影响。

随后，伊基莫夫使用X射线来检测不同颜色的彩色玻璃的内部结构。经过统计分析发现，彩色玻璃内部形成了尺寸很小的氯化铜晶体，而不同温度的制造工艺会影响氯化铜晶体的颗粒大小。

当玻璃内部氯化铜晶体的颗粒尺寸较大时（几十个纳米），彩色玻璃的颜色基本没有变化。然而，随着玻璃内部的氯化铜晶体的颗粒尺寸降低时（几个纳米），彩色玻璃也开始显示出不同的颜色。

不同纳米尺寸的氯化铜（CuCl2）晶体对应吸收不同波长的光

（图片来源：参考文献[1]）

相信已经有一些小伙伴觉察到，彩色玻璃中的纳米尺寸效应似乎和我们上文提及的量子效应有类似之处。而伊基莫夫作为物理学家，也敏锐地觉察到这是一种与掺杂物质尺寸相关的量子效应。

于是在1981年，他在当时的学术期刊上发表了自己破解彩色玻璃的新发现。

探究彩色玻璃这件事虽然看起来并不高深，但却是人们第一次有意地去制备具有量子效应的纳米颗粒，这也是量子点的前身。

然而，基于种种历史原因，伊基莫夫的研究成果并没有被世界上的其他研究者发现。

随后在1983年，科学家路易斯·布鲁斯（Louis Brus）在研究使用纳米颗粒来吸收太阳能的时候，也有了类似的有趣发现。

当时，布鲁斯的研究重点之一是希望使用硫化镉颗粒，来吸收并且储存太阳能。为了尽可能将硫化镉颗粒分散到溶液中，从而增大硫化镉颗粒吸收太阳光的比表面积，布鲁斯特意将硫化镉颗粒的尺寸制备的足够小，直径大约只有4—5纳米。

然而令他感到困惑的是，尺寸很小的硫化镉颗粒主要吸收太阳光中的蓝紫光，而在之前实验中普通尺寸的硫化镉颗粒，则偏向于吸收太阳光中的红光。于是，布鲁斯特意制备出两种直径尺寸不同的硫化镉颗粒，进行更加细致的对比实验。

不同纳米尺寸的硫化镉（CdS）颗粒对应发射/吸收不同波长的光

（图片来源：参考文献[2]）

实验结果表明，直径尺寸较大的硫化镉颗粒吸收的光，与宏观尺寸硫化镉吸收的光波长相同。而尺寸较小的硫化镉颗粒却偏向于吸收蓝色的光。于是，布鲁斯在学术期刊上发表了自己的研究成果。

可以看到，两位科学家虽然自身的研究方向不尽相同，却前后发现了同样的有趣现象，**即微观世界中纳米尺寸的物体，会显示出不同于宏观世界中的量子效应。**也就是说，人们在无意中发现了具有量子效应的量子点。

量子点制备——是时候展现化学家的技术了

虽然人们开始意识到，可以通过降低纳米颗粒的尺寸来制备出量子点，但是早期量子点的大规模精确制备却是一件十分困难的事情，其中就包括两个较为棘手的化学技术难题。

首先，早期采用化学溶液方法制备出的量子点总是会含有较多的结构缺陷，不是符合理论的十分完美的量子点颗粒。这样一来，制备出来的量子点无法达到预期的发光特性，激发出的单色光不够纯净，因而影响了量子点的实际应用。

其次，采用普通化学溶液方法制备出的量子点尺寸各异，没法保证所有的量子点都具有统一的尺寸。这就需要在完成量子点的制备后，还需要额外的筛选流程来将不同尺寸的量子点进行精确分类，从而极大限制了量子点技术的大规模应用。

为了解决上述采用化学溶液制备的技术问题，科学家蒙吉·巴文迪（Moungi Bawendi）探索并且优化出了量子点的化学制备工艺，从而生产出结构上几乎完美无缺，并且纳米尺寸统一的量子点颗粒。

当时，巴文迪在美国麻省理工学院负责量子点的研究课题，希望能够采用化学溶液方法精确地调控量子点，并且实现量子点统一尺寸的大规模制备。于是，他带领研究小组不断地摸索量子点的化学生长工艺，并且最终在1993年研究出来至今仍然广为使用的溶胶凝胶法。

首先，为了尽可能降低量子点颗粒生长过程中的缺陷，蒙吉·巴文迪小组将能够形成纳米尺寸的高纯物质加入到仔细配比的化学反应溶液中。

同时，为了形成纯净的量子点胚胎，他们在实验中精确地调节溶液的饱和程度，从而避免化学合成过程中引入的生长缺陷，从而解决了第一个技术上的难题。

X射线检测下结构纯净的硒化镉（CdSe）量子点颗粒

（图片来源：参考文献[3]）

其次，巴文迪的小组还不断探索化学合成过程中的反应温度，并且动态地调控溶液的温度来适应量子点晶体的生长。于是，在化学工艺的仔细调控下，他们终于制备出了尺寸统一的量子点晶体，从而解决了第二个技术上的难题。

透射电子显微镜（TEM）下的尺寸一致硒化镉（CdSe）量子点颗粒

（直径大约3纳米）

（图片来源：参考文献[3]）

正是由于蒙吉·巴文迪带领的研究小组发明了溶胶凝胶法，才使得人们第一次能够批量制备出几乎完美无缺，并且纳米尺寸统一的量子点，从而为人们继续探索纳米技术和量子点的其他特性提供了技术支撑。

最终，阿列克谢·伊基莫夫、路易斯·布鲁斯和蒙吉·巴文迪三位科学家也因为在量子点上的杰出贡献，共同分享了2023年诺贝尔化学奖的殊荣。

结语

可以说，量子点的发现和制备充满偶然，却又有其必然性。正是依靠着物理学家的敏锐发现和化学家的不懈努力，才最终为人们揭开了量子点的神秘面纱。

量子点的出现不仅仅验证了量子力学中量子效应的存在，还为人们打开了探索微观纳米世界的大门，是现代纳米技术的一颗种子。

随着后续科学家对量子点的深入研究，人们开始越来越多地意识到微观世界的奇妙之处。那么，就让我们始终保持对世界的好奇，以后再一起探索更多的奥秘吧！

参考文献

[1] Ekimov, A. I. & Onushchenko, A. A. J. Exp. Theor. Phys. Lett. 34, 345–349 (1981).

[2] Rossetti, R. & Brus, L. J. Phys. Chem. 86, 4470–4472 (1982).

[3] Murray, C. B., Norris, D. J. & Bawendi, M. G. J. Am. Chem. Soc. 115, 8706–8715 (1993).

来源: 中国科普博览

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