量子点的性质

量子点的特殊几何尺寸，使得其具有独特的属性。当介观体系的尺度和物理的特征量相当时，量子效应更加明显。一些用经典物理理论难以解释的量子现象出现在量子点系统中，量子力学原理将起到关键的作用，下面介绍几个重要的量子效应。

1.量子尺寸效应

在纳米尺度范围内，半导体纳米晶体随着其粒径的减小，会呈现量子化效应，显示出与块体不同的光学和电学性质。当粒子尺寸进入纳米量级时，金属费米能级附近的电子能级出现由准连续变为离散能级的现象，纳米颗粒则出现分立的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能级间距比粒子能级间距更宽、能隙变宽的现象，这种现象称为量子尺寸效应。与金属导体、绝缘体和范德华晶体相比，纳米半导体材料带宽较大，受量子尺寸效应的影响更加明显，颗粒在纳米级时能显示出特殊的光学特征。量子点的体积大小控制其光吸收和发射特征。晶体颗粒越小，比表面积越大，分布于表面的原子就越多，因而表面光激发的正电子或负电子受钝化表面的束缚作用就越大，其表面束缚能就越高，吸收的光能也越高，即存在量子尺寸效应，使其吸收带蓝移，荧光发射峰位也相应蓝移［7-9］。

通常当半导体纳米粒子量子尺寸效应与其激子玻尔半径相近时，随着粒子尺寸的减小，半导体粒子的有效带隙增加，其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，从而在能带中形成一系列分立的能级。在这个范围内，一些纳米半导体粒子，量子点的半径R比电子和空穴的玻尔半径小很多，如Cd Se，Cd S，Zn O所呈现的量子尺寸效应可用下列公式来描述:

式中E(r)为半导体纳米粒子的吸收带隙，r为粒子半径，μ为粒子的折合质量，其中me-和mh+分别为电子和空穴的有效质量，第二项为量子限域能(蓝移)，第三项为电子—空穴对的库仑作用能(红移) ，E*RY为有效的里德伯量。由上式可以看出:随着粒子半径的减小，其吸收光谱发生蓝移，随着粒子半径的增大，其吸收光谱发生红移，如图1.3所示［8-10］。

图1.3 不同粒径的量子点发出不同波长的荧光

2.介电限域效应

随着粒径的不断减小，比表面积不断增大，颗粒的性质受到表面状态的影响。考虑到库仑相互作用和量子点表面上修饰某种材料，因为量子点表面上修饰材料的介电常数不同，所以它们的光学性质与裸露的量子点相比发生了较大变化，此种效应称为介电限域效应。当介电限域效应引起的能量变化大于由于量子尺寸效应引起的变化时，量子点的能级差将减小，在其吸收光谱上就表现为明显的红移现象。量子点的表面一般连接有长链的烷基氧化膦(如TOPO)或烷基膦(如TOP)，介电常数小，使得吸收光谱向长波长方向移动。将量子点的表面包上一层能级差更大的壳层，由于介电限域效应也会使得吸收光谱红移［11］。

3.表面效应

当物质材料的三个维度均达到纳米量级时，量子点将引起表面效应。随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。由于量子点的比表面积大，表面原子数的增多，导致了表面原子的配位不足或者不饱和键和悬键增多，使这些表面原子具有较高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子大表面能和高活性，可以充当氧化还原反应的中心，金属纳米粒子的表面很容易被氧化，使得量子点在光催化、化学催化等领域显示出重要的应用前景。表面原子的活性不但引起量子点表面原子输运和结构的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们又影响量子点的发光性质，引起非线性光学效应。

4.量子隧道效应

当电子在纳米尺度空间中运动时，物理线度与电子自由程保持在相同的数量级上，电子能级处于分立状态，载流子的运输过程将有明显的波动性，从一个量子阱穿越量子势垒进入另一个量子阱，这就是量子隧道效应。目前，量子点一些特殊的宏观性质引起了人们的广泛关注，比如磁化强度的研究，量子相干器件中的磁通量及电荷等具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，称为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限［12］。

5.库仑阻塞效应

库仑电荷效应是其另一个基本物理性质，量子点中的电子(或空穴)之间的库仑作用非常明显，填充一个电子(或空穴)就要克服量子点中已有电子(或空穴)对其的排斥作用。如果一个电子进入量子点，引起整个系统增加的静电能远大于电子热运动能量KBT，则这个静电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点，这种现象叫做库仑阻塞效应。基于库仑阻塞效应可以制造多种量子器件。