半导体量子点及其应用概述

【摘 要】半导体量子点是由少量原子组成的准零维的纳米量子结构，表现出较其它维度的结构的半导体材料更优越的性能，被广泛应用于量子计算、量子生物医学、量子光伏器件、量子发光器件和量子探测器中，是现在前沿科学研究的热门课题之一。

【关键词】量子点；纳米结构；量子效应；量子点应用

０ 引言

近年来半导体材料科学主要朝两个方向发展：一方面是不断探索扩展新的半导体材料，即所谓材料工程；另一方面是逐步从高维到低维深入研究己知半导体材料体系，这就是能带工程。半导体量子点就是通过改变其尺寸实现能级的改变，达到应用的目的，这就是半导体量子点能带工程。半导体量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构，原子数目通常在几个到几百个之间，三个维度的尺寸都小于100纳米。载流子在量子点的三个维度上运动受尺寸效应限制，量子效应非常显著。在量子点中，由于量子限制效应作用，其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构，所以量子点又叫人造原子。由于特殊能级结构，使得量子点表现出独特的物理性质，如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等，它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义，量子点材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一[1]。

1 量子点制备方法

目前对量子点的制备有很多方法，主要有外延技术生长法、溶胶-凝胶法（Sol-gel）和化学腐蚀法等，下面简单介绍这几种制备方法：

1.1 外延技术法

外延技术法制备半导体量子点，主要是利用当前先进的分子束外延（MBE）、金属有机物分子束外延（MOCVD）和化学束外延（CBE）等技术通过自组装生长机理，在特定的生长条件下，在晶格失配的半导体衬底上通过异质外延来实现半导体量子点的生长，在异质外延外延中，当外延材料的生长达到一定厚度后，为了释放外延材料晶格失配产生的应力能，外延材料就会形成半导体量子点，其大小跟材料的晶格失配度、外延过程中的条件控制有很大的关系，外延技术这是目前获得高质量半导体量子点比较普遍的方法，缺点是对半导体量子点的生长都是在高真空或超高真空下进行，使得材料生长成本非常高。

1.2 胶体法

胶体法是指金属的有机或无机物经过溶液、溶胶而固化形成量子点，在离心力作用下可以涂覆在衬底表面，经过退火处理而成为所需纳米团簇的方法。这种方法是要把胶体带有纳米孔状的模板中，经过高温退火处理后，模板会自动去除，而胶体颗粒也会在高温下形成晶体，颗粒的大小与模板孔尺寸、胶体浓度和退火温度等因素有关。这种制备量子点方法的优点是，方法简单，不需要复杂的仪器设备，成本较低，可以大面积制备纳米颗粒，缺点是不易形成高质量晶体颗粒和极易受到空气中的灰尘污染。

1.3 化学腐蚀法

腐蚀法是利用化学液体对不同的半导体材料的腐蚀速率差异和晶体材料的各向异性，通过腐蚀光刻技术在晶体衬底留下的图形，从而达到纳米量级的量子点。该方法是通过腐蚀晶体衬底直接获得量子点材料，量子点表现出纯度高、性能优越，但是由于腐蚀的各向异性，量子点材料的尺寸非常不均匀[2]。

2 量子点的应用

量子点在我们的日常生活中有着非常重要的作用，主要应用在量子光电器件、量子计算和量子生物医学等方面，下面我们将逐一进行简单的介绍：

2.1 量子计算

在量子点中，通过加上很小的电压，利用库仑阻塞效应，可以很精确的控制电子流的数量，同时控制电子自旋的状态向上或者向下，进而控制数据的存贮或者计算，通过技术的不断发展，在不久的将来可以利用量子点实现量子计算或者实现量子计算机。

2.2 光电器件

在量子点光电器件中，提供光增益的有源区介质是量子点，量子点由于特殊的尺寸限制表现出来的量子效应，使得他的态密度函数类似单个原子，是一个δ函数，使得量子点表现许多由于光学和电学特性。如以量子点为有源介质的量子点激光器，在理论上计算发现，比量子阱、量子线和块体材料的激光器有更低的阈值电流密度、更高的量子线率、宽的增益、更高的微分增益和好的温度稳定特性。而且，量子点的禁带宽度除了跟材料本身的性质有关外，还跟量子点的大小有很大的关系。在固定的材料体系统，光电器件的发光波长还可以通过控制量子点的尺寸来控制。量子点尺寸越大，量子尺寸限制效应减弱，禁带宽度缩小，器件的发射波长红移。如在磷化铟衬底上生长的砷化铟量子点，通过调节砷化铟量子点的尺寸大小，可实现发光器件的波长在1.4微米到2微米之间调节，这样我们就可以根据实际需求选择量子点尺寸，从而达到需要的波长。虽然量子点光电器件有这么多优点，但在实际实际的应用中，受到量子点均匀性的影响，器件的很多性能远没有达到理论预计的值，与商用化的量子阱光电器件相比任然有很大的差距，然而通过制备技术和方法的不断改进， 量子点在广电领域的前景是光明的[3]。

2.3 量子生物医学

在生命科学领域，荧光图像技术是一种重要的手段，然而传统的有机染料非常容易淬灭，在实际应用中非常不方便，无法对标记物进行长期的跟踪和观察。而量子点的优点是发光波长可调，发光强度高和化学稳定性好，非常适合用在用于标记生物体的长期跟踪。在生物体中，可见光对生物的穿透能力较差，无法完成很多的病理检测，而半导体量子点发射的红外光则可穿透厘米级厚度的组织，因此可将某些在红外区发光的量子点标记到组织或细胞内的特异组分上，并用红外光激发，就可以通过成像检测的方法来研究组织内部的情况，达到诊断的目的[4]。

另外，量子点也可用于生物芯片研究。在生物芯片中，研究多个蛋白质就只能多次重复相同操作标记，非常不方便。而量子点的发光波长可以通过尺寸的改变来实现，这样我们就可用一系列不同大小、不同材料、光谱特性各自不同的量子点或量子点微粒标记各种蛋白质，更重要的是可以用同一波长的光激发，从而可以同时检测所有标记的蛋白质与芯片上的蛋白质之间的相互作用[5]。

2.4 光伏电池

光伏电池中最重要的一个参数是光电转换效率，研究发现利用半导体硒化铅量子点作为有源材料，当吸收一个高能量可见光的光子，将产生7个左右的激子（相当于硒化铅量子点禁带宽度能量的7.8倍）。而传统的光伏电池是，接收一个可见光的光子，将产生一个激子（电子-空隙对），所以利用硒化铅量子点将大大提高光伏电池的光电转换效率，这样将会大大降低光伏电池的生产成本[6]。

2.5 保密量子通信

在保密量子通信中，是单个光子来传递信息，要实现高质量的信号传输，最重要的是要获得高质量的单光子源，目前实现单光源的方法是衰减的办法，就是通过光衰减的方法来获得单光子，现在的衰减技术无法获得真正意义上的单光子。而低密度半导体量子点，就可以实现这一要求，因为在一个单光子源中只有一个单量子点，当在单光子源上加泵浦是，一般只会发射单个光子，这样就能够达到保密量子通信的要求。

3 结束语

我们通过对半导体量子点的概念简单的描述了量子点的定义，并列举的半导体量子点的制备方法及每一种方法的优缺点，同时描述了半导体量子点在日常生活中的主要应用的几个方面。

4 致谢

感谢深圳信息职业技术学院项目对本论文资助（项目编号：YB201006）。

【参考文献】

［１］王占国，陈涌海，叶小玲，等，著．纳米半导体技术．化学工业出版社．

［２］M. T. Todaro, et al. “Low-density self-assembled QDs grown directly in a GaAs matrix for quantum-communication applications at 1300 nm wavelength”. Microelecron. Eng.,2004，73：757.

［３］M.S Skolnick, D.J Mowbray, “Recent developments in the physics and applications of self-assembled quantum dots”, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2004，２１：155-163．

［４］候巍，单亚明，王丽萍．量子点技术在生物医学领域的应用进展．2004，８：436-438．

［５］谭艳芝．量子点的应用及研究进展．纳米材料与应用，2007，８：22-26

［６］Robert F. Service, “Shortfalls in Electron Production Dim Hopes for MEG Solar Cells”, Science, 322,(2008)：1784．

［责任编辑：常鹏飞］