北京時間10月4日，瑞典皇家科學院宣布，將2023年諾貝爾化學獎授予美國科學家Moungi G.Bawendi、Louis E Brus，俄羅斯科學家Alexei l.Ekimov，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)和合成“量子點”方面所作出的貢獻。
三位獲獎者在量子點方面的貢獻各有側重。
其中Bawendi的貢獻在量子點的化學制備方面。他革新了量子點的化學生產方法，使得量子點的質量大幅提高，并為其在各種應用中的使用鋪平了道路。
而俄羅斯科學家Ekimov早在20世紀80年代初，就成功地在有色玻璃中實現(xiàn)了與大小相關的量子效應。他的實驗結果證明了納米顆粒的尺寸可以通過量子效應來控制材料的性質，為后續(xù)的研究和應用奠定了基礎。
Brus是首位證明自由浮動納米顆粒具有與大小相關的量子效應的科學家。他的研究為理解和利用納米顆粒的量子特性提供了重要的實驗證據(jù)，并推動了納米技術的發(fā)展。他的工作對于電子學、光學和生物醫(yī)學等領域具有廣泛的應用前景。
盡管科學家對量子點的研究已經有40多年，但這一獎項來得不算太遲，因為“量子點”這一神奇材料的制造，正在跟21世紀科技大潮結合，與其他新興技術和新材料結合，使其應用潛力正逐漸被科學家深度挖掘。比如在柔性電子、微型傳感器、更薄的太陽能電池和加密量子通信方面，都可做出貢獻。量子點作為一股改變未來科技的力量正開始發(fā)揮更大作用。
01
人造原子
量子點其實不是點，而是具有獨特光學和電子特性的微小半導體粒子。我們知道，物質都是由原子或分子組成，而量子點是由幾十個或數(shù)千個原子組成，是尺寸一般小于20納米的半導體顆粒。有時又被稱為“人造原子”或“超晶格”。
這種納米級的顆粒到底有多小呢?對比一下就大概知道了，量子點比人的頭發(fā)直徑還細10000倍(人的頭發(fā)直徑大約為 10 萬納米)。也有人更形象描述它的“小”，一個量子點與一個足球的對比，正如足球與地球的對比。
圖說：量子點是一種晶體，通常由幾千個原子組成。就大小而言，它與足球的關系就像足球與地球大小的關系一樣。
來源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
這些細小的顆粒在化學成分上和較大的晶體顆粒雖然相同，但當物質縮小到納米尺寸時，就會出現(xiàn)量子現(xiàn)象，它們運作時遵循量子物理規(guī)律。這意味著，與較大的粒子不同，量子點能夠根據(jù)能量的變化(例如光)改變其特性。這是因為在極小的尺度之下，這些微小顆粒中的電子狀態(tài)發(fā)生了變化。
圖說：量子點指的是一些非常微小的納米晶體顆粒
量子點具有許多特性，如具有巨電導，可變化的帶隙，可變化的光譜吸收性等。
量子點最突出的一個光學性質在于，在受到激發(fā)之后，它們會發(fā)出不同顏色的、高質量的單色光。光的具體顏色和納米小顆粒的尺寸密切相關：尺寸相對較大時，光的顏色會偏紅，而隨著尺寸縮小，光的顏色會越來越偏藍。
Brus和Ekimov等科學家將這一尺寸相關的現(xiàn)象描述為量子限域效應(quantum confinement effect)。
盡管理論上已經有所發(fā)現(xiàn)，但如何高效制造出質量穩(wěn)定的量子點，困擾了科學界相當長一段時間。
上世紀80年代初，在蘇聯(lián)科研機構工作的Ekimov在玻璃基質中合成了量子點，并于1981年在學術期刊上發(fā)表他的成果。而美國的Brus也在膠體溶液中合成了量子點，并于1983年發(fā)表了研究成果。
當時美蘇兩國處于敵對狀態(tài)，信息并不相通，只能說兩位科學家“英雄所見略同”，他們基于不同的材料體系，都為量子點相關研究打下堅實基礎。
到了1993年，美國麻省理工學院的Bawendi在高效合成高質量量子點方面取得進一步突破。Bawendi的團隊將能夠形成納米晶體的物質注入一種被加熱的特殊溶劑中，并精確控制其中的飽和度，從而生成非常微小的晶體胚。團隊再通過對溶劑溫度的調整，最終生成了尺寸一致的量子點。
這一方法相比以往更簡單高效，讓更多科研人員有機會探索量子點的特性和潛在應用。
02
量子點跟鈣鈦礦結合，有望替代硅晶太陽能
量子點的特性，使其在很多領域有廣泛的用途。目前比較普遍的使用是液晶顯示領域。LED(發(fā)光二極管)背光光源的色彩經過量子點技術的轉化，能夠在屏幕上實現(xiàn)更好的紅、綠、藍三基色，帶來更廣的色域，一些廠家已經在此基礎上推出QLED電視。
隨著元宇宙、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術的發(fā)展，未來各類電子設備上大大小小的顯示屏也有望在量子點技術的助力下，給人們帶來更好體驗。
在更專業(yè)的層面，量子點穩(wěn)定的發(fā)光特性使其成為很好的熒光標記材料，在生物監(jiān)測和醫(yī)學成像方面有良好應用前景，醫(yī)生有望借助量子點來高效發(fā)現(xiàn)患者體內的腫瘤組織。
同時，紅外探測成像、光催化、量子光源等領域的應用也獲得長足的發(fā)展。
這里需要特別介紹的是量子點在太陽能電池方面的應用。量子點在光伏領域的應用，主要是調節(jié)光帶吸收、光電轉換以及載流子運輸，從而提高光伏電池的效率。在當前的TOPCON電池以及鈣鈦礦電池都有應用，現(xiàn)在算是光伏一種常用技術手段。
太陽能的主要挑戰(zhàn)之一是傳統(tǒng)太陽能電池的轉化效率有限。這是由材料性質決定，太陽發(fā)出從紫外線到紅外線等不同顏色的光，但晶硅太陽能電池只能吸收太陽光譜中的一小部分，導致其最大理論轉化效率約為 33%。這又被稱為 Shockley-Queisser 極限。
轉化效率，一直是提高太陽能電池性能的長期障礙?，F(xiàn)在量子點有可能克服這一限制，并顯著提高太陽能轉換效率。
量子點的獨特性質，源于它們的小尺寸和量子限制效應。這種效應導致在量子點中，電子的能級變得離散，而不是像塊狀材料中那樣連續(xù)。因此，量子點可以被設計成具有對應于不同波長的光的特定能級。這種可調性使它們能夠吸收比傳統(tǒng)太陽能電池更廣泛的太陽光譜，從而有可能將其效率大大提高到Shockley-Queisser 極限以上。
量子點的巨電導，可變化的帶隙，可變化的光譜吸收性等特性，使得量子點太陽能電池可大大提高光電轉化率，與目前的多晶硅太陽能電池相比，生產能耗可減少20%，光電效率可增加50%至1倍以上，并降低昂貴的材料費用。
比如量子點增強TOPCon電池，該電池是在量子點增強硅基底上制備的topcon電池，可以提高電池的光電轉換效率和量子效率。量子點增強TOPCon電池的效率可達到26.7%以上。
再比如，量子點跟鈣鈦礦相結合，有望替代傳統(tǒng)硅晶太陽能。
鈣鈦礦是一種具有獨特晶體結構的材料，使其能夠高效吸收光、并將其轉化為電能。通過將鈣鈦礦材料與量子點相結合，研究人員已經能夠制造出比單獨使用量子點效率更高的太陽能電池。
這些混合鈣鈦礦-量子點太陽能電池，有可能在未來的若干年內，通過更高的效率、更低的成本，實現(xiàn)對傳統(tǒng)晶硅太陽能電池的替代，并徹底改變太陽能行業(yè)。
除了具有提高太陽能電池轉化效率的巨大潛力外，量子點還能夠為太陽能收集提供其它方面的優(yōu)勢。比如，它們的小尺寸和可調特性，使它們非常適合用于靈活輕便的太陽能電池板。這些太陽能電池板可以很容易地集成到從可穿戴電子產品、到建筑一體化光伏的廣泛應用之中。
此外，量子點在生產方面，可以使用低成本和可擴展的基于溶液的方法進行合成，從而使其成為可供大規(guī)模生產太陽能電池的有吸引力的選擇。
