新方法增强发光量子点的尺寸控制生产

发光是指物体吸收某一波长的光，然后以另一波长重新发射该光的过程的结果。通过光吸收，材料基态的电子被激发到更高的能态。在每个激发态经过一定时间后，电子会衰减到较低能态(包括基态)并发光。这一现象广泛应用于各种技术应用中，涉及高效、可重复的发光装置，这些装置易于小型化。

发光效率最高的材料包括量子点(QD)，目前用于高分辨率显示器、LED、太阳能电池板和各种传感器，例如用于精密医学成像的传感器。用各种类型的分子对 QD 表面进行功能化，可以与细胞结构或其他感兴趣的分子相互作用，以研究分子级生物过程。

QD 是半导体纳米粒子，由于量子限制现象，其发射特性与点尺寸直接相关。因此，在溶液中合成 QD 时监测和控制晶体生长可以智能规划所需的发光效果。

在《科学报告》杂志上发表的一篇文章中，由巴西圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所 (IFSC-USP) 教授 Andrea de Camargo 领导的研究人员以及德国基尔大学的合作者提出了一种监测量子点形成的新方法。

“我们使用碲化镉 [CdTe] 作为模型系统，并通过原位发光分析控制加热水溶液中的纳米颗粒生长，”IFSC-USP 博士候选人兼文章第一作者 Pedro Felipe Garcia Martins da Costa 说道。

该技术使科学家能够在不影响量子点合成的情况下实时看到溶液中发生的情况，从而通过观察发射光的颜色(波长)来监测晶体的生长。

“QD 是通过在尺寸控制试剂存在下混合镉 (Cd 2+ ) 和碲 (Te 2- ) 前体溶液来合成的。温度升高，化学反应通过碲化物和镉离子聚集开始。随着反应的进行，更多的 CdTe 单元以球形加入簇中，这一过程称为自组装。通过快速精确地监测发射频率，可以估算纳米颗粒的尺寸。

“直径为 1-2 纳米 [nm] 的 CdTe 量子点在可见光谱的蓝色和绿色区域发射。较大的量子点(尺寸为 4-5 纳米)在较低的频率下发射，分别为黄色和红色，”IFSC-USP 博士后研究员兼本文第二作者 Leonnam Gotardo Merizio 说道。

据科斯塔介绍，这种新方法比传统合成策略有几个优势。

“在传统技术中，你必须从溶液中取少量样本来测量量子点的尺寸，但原位技术可以让你在过程进行时进行测量，而无需干扰反应介质来取样，这样就可以在单位时间内获得更多的光谱，反应体积不受影响，避免不必要的浪费。因此，可以更精确地控制目标量子点的发射颜色。

“通过光纤以适当的波长传输激发光的设备还会收集发射光并确定其在 RGB(红、绿、蓝)颜色系统中的特征频率。值得注意的是，RGB 系统的控制与多种发光设备(如显示器和智能手机显示屏)中的图像形成有关，”他解释说。

他补充说，以这种方式合成的量子点还通过X射线衍射、透射电子显微镜、紫外-可见吸收光谱和红外振动光谱进行了表征。

1937 年，德国出生的英国物理学家 Herbert Fröhlich (1905-91) 从理论上预测了量子点的存在。20 世纪 80 年代，当时苏联的 Alexey Ekimov (生于 1945 年) 和美国的 Louis Brus (生于 1943 年) 首次独立观察到了半导体纳米粒子中的量子限制。20 世纪 90 年代，法裔美国物理学家 Moungi Bawendi (生于 1961 年) 开发出显著增强的量子点合成方法。2023 年，Ekimov、Brus 和 Bawendi 因其在该领域的工作而获得诺贝尔化学奖。

科斯塔说：“量子限制使量子点能够将电子限制在三维空间中，从而使量子现象更加明显，并将其描述为原子、分子和更大晶体阵列之间的中间材料。”

“已经有很多关于 CdTe 量子点合成的论文发表。我们研究的主要贡献涉及高度通用的原位发光测量系统的开发和应用。该方法使我们能够推断出结晶纳米颗粒的尺寸，并通过与其他允许化学和/或结构分析的技术(FT-IR、拉曼、DRX 等)的原位结合来表征化学反应中中间化合物的形成。这种合成方法的改进优化了化学产量并节省了能源，”Camargo 说。