2023年10月4日北京時間17時45分許，美籍法國-突尼斯裔化學家Moungi Bawendi，美國化學家Louis Brus和俄羅斯物理學家Alexei Ekimov因“發現和合成量子點”獲得2023年諾貝爾化學獎。這一特殊榮譽的頒布讓我們將更多的視角給到了量子點的研究。量子點 (QD) 因其獨特的電子、光學和結構特性而引起了人們的極大興趣。本文對量子點的合成、性質和應用的最新進展進行了簡要分析。我們討論了合成技術，包括膠體合成和水熱合成兩種方法，并強調了這些技術的基本原理如何影響量子點的最終性質。然后，我們深入研究了量子點的廣泛應用，從基于量子點的顏色轉換、發光二極管和生物醫學到基于量子點的密碼學和自旋電子學。最后，我們確定了量子點研究的當前挑戰和未來前景。

1. 引言

量子點是微小的半導體納米粒子，尺寸只有幾納米(從幾納米到幾十納米不等)，具有量子約束最重要的特性之一。Onyia等從理論上研究了量子約束對量子點的影響。更一般地說，當一個系統的一個或多個維度小到足以影響其電子態密度時，則稱該系統是受限的。因此，量子點就是其中電子被限制在各個方向上，這導致需要更大的振蕩強度用于電子躍遷，可用于制造各種電子設備，包括太陽能電池、LED 和晶體管。

量子點具有與塊狀材料不同的特性，例如尺寸，因為由于量子點的尺寸小，它們具有高的表面積和體積比，使它們具有高反應性(或活性)，而塊狀材料的尺寸較大。量子點在具有(δ)功能的態密度中具有離散的量子化能級，如圖1所示，而不是像塊狀材料那樣具有連續的能級范圍。

圖1.狀態密度 (DOS) 變化的示意圖，其中 (A) 塊狀材料，(B) 2D，(C) 1D，(D) 0D

在這個尺度上，材料的電子和光學特性開始偏離散裝材料的電子和光學特性，例如尖銳的吸收和發射光譜。除此之外，量子點還具有令人印象深刻的調諧帶隙能力，可以通過調節量子點的大小來有效控制。此外，還展示了通過合金化量子點核心來調整帶隙的其他幾種方法。在散裝材料中找不到此特性。仔細控制這些特性使量子點在傳感、醫學(即基于光的治療和診斷)、生物技術、光電子學和材料科學等領域的廣泛應用中具有很高的吸引力。

根據應用類型及其獨特特性，使用了不同類型的量子點。早在 1980 年代初，當研究人員首次開始研究小到足以顯示量子約束的半導體粒子的特性時，量子點的歷史可能已經確立。阿列克謝·埃基莫夫(Alexey Ekimov)在1981年的研究被廣泛認為是半導體納米晶體(目前稱為QD)中量子約束的首次有記錄的實驗觀察。使用化學合成技術，Ekimov和他的團隊在玻璃基質中生產了硒化鎘(CdSe)納米晶體，他們發現納米晶體的光學特性與塊狀CdSe的光學特性有很大不同。 這是經典物理學無法解釋的。在接下來的幾年里，研究人員開始探索用于量子點的其他半導體材料，包括碲化鎘(CdTe)、砷化銦(InAs)和磷化銦(InP)。這些材料中的每一種都具有獨特的特性，因為它們具有不同的帶隙，因此非常適合廣泛的應用。例如，基于I-III-VI.組合物的量子點，如硫化銅銦(CuInS₂)和硫化鋅(ZnS)由于毒性較低，被認為是生物醫學應用中鎘基量子點的極好替代品。此外，除了更具生物相容性外，Ag-In-S QDs還表現出巨大的光吸收和發射潛力。它們還具有較長的光致發光 (PL) 壽命和高量子產率

CdSe 是用于光電子學和生物成像的不錯選擇，而 CdTe 和 InAs 用于太陽能電池和紅外探測器。這些量子點可以從有機和無機材料中生長出來。量子點有多種結構，包括新的三元I-III-VI.型，它是含重金屬量子點的更安全的替代品。硫化銅銦(CIS)結構，其原子排列在晶格中，對現代技術至關重要。通過改變CIS量子點的尺寸，可以調整其帶隙，使其高度適應于太陽能電池和LED，從而實現更高效的器件和更大的顏色變化。此外，CIS QD 穩定且易于合成，使其成為生物光子學等應用的有前途的材料。將量子點摻入基體結構中可產生具有獨特性能、提高穩定性和增強機械性能的納米復合材料。例如，在 CaCO3 中使用 CdZnTe 量子點與純CdZnTe量子點相比，基質具有優異的光穩定性，此外，納米復合材料具有良好的加工性能，使其成為各種應用的有前途的材料。

鈣鈦礦量子點是一類很有前途的半導體納米粒子，近年來因其優異的光學和電子性能而受到廣泛關注。PQD 具有高光致發光量子產率、窄發射帶寬和出色的顏色純度，使其成為傳統量子點的理想替代品。它們還具有用于各種光電器件的潛力，例如 LED、太陽能電池。PQD的發展具有徹底改變光電子領域的巨大潛力。

最近，研究人員開始研究使用其他類型的納米結構材料，如碳納米管和石墨烯，作為量子點。這些材料具有獨特的電子特性和高度可調的光致發光(PL)特性。這種多功能性使它們非常適合用于光電子學、傳感和儲能等各個領域。由于毒性和環境影響等問題，正在進行研究，以尋找含重金屬和不含重金屬排放物的替代品。其中一種替代方案是III-V族量子點，特別是InP，它被廣泛用于下一代顯示器的開發。

在此期間開發了幾種生長方法，以生長這些適合不同應用的納米顆粒。然而，由于這些量子點的形成，不同的應用面臨著不同的挑戰或權衡，例如無機量子點有毒，但對溫度和濕度等外部參數表現出高度穩定性。另一方面，有機量子點是無毒的，但會受到溫度、壓力和濕度的高度影響。在這里，合成過程的成本和復雜性起著至關重要的作用，具體取決于應用要求。無機量子點的生產成本可能很高，可能需要高溫和高壓才能合成，而有機量子點相對便宜且豐富。

值得一提的是，研究人員正在努力克服量子點的毒性，并試圖找到在各種應用中使用它們的新方法。例如，碳量子點在生物傳感應用中顯示出很好的生物相容性。在本概述中，我們簡要介紹了量子點的結構、特性、制造和各種應用。

2. 量子點的結構

2.1. 量子及其性質

原子或分子的緊密排列遵循稱為量子點的量子規則。在大多數情況下，量子點由一個由半導體材料制成的磁芯和一個由用作表面鈍化層的單獨材料制成的外殼組成。不同尺寸和形狀的芯和殼是可能的，它們的質量可以調整以適應特定的應用。例如，球形量子點在光學和電氣特性上與棒狀或圓盤形量子點不同。量子點的電學和光學特性由其核心決定，而其穩定性和相互作用則由殼層決定。量子點的結構負責特定應用所需的電氣和光學特性。

如前所述，量子約束是量子點區別于其他塊狀材料的特征。研究人員深入研究了量子約束對半導體量子點的影響。當量子點遵循量子約束效應時，激子的運動被限制在量子化空間內，導致量子約束，使量子點具有獨特的光學和電學特性。為了實現量子約束，需要滿足玻爾條件。這表明納米顆粒的尺寸必須小于相應的激子玻爾半徑。

量子點和塊狀材料之間的主要區別之一是尺寸相關的能帶隙。在散裝材料中，帶隙是材料本身的一種特性，不會隨尺寸而變化。然而，在圖2所示的量子點中，帶隙與量子點的大小成反比。量子點的大小很重要，因為它決定了量子約束效應的強度。較小的量子點表現出更強的量子約束，并且比較大的量子點具有更高的能級。在生長過程中控制量子點的大小是新器件及其應用的進步和創造的重要因素。這種與尺寸相關的帶隙導致了廣泛的光學特性，包括可調諧的吸收和發射光譜等。

圖2.塊狀材料和量子納米結構中的能帶結構示意圖

例如，CsPbBr₃的帶隙根據Butkus等人的研究，當粒徑從8.5 nm減小到4.1 nm時，量子點從2.3 eV增加到2.5 eV，PL光譜中出現明顯的藍移，如圖3所示。

圖3.CsPbBr的實驗與理論尺寸依賴性帶隙能

2.2. 量子點的光學特性

由于其小尺寸和量子約束效應，量子點表現出獨特的光學特性。目前，有大量關于核多殼量子點的研究正在進行中。該結構由許多由各種材料制成的外殼組成，圍繞著由單一材料制成的中心核心。通過選擇不同的材料，可以改變量子點的尺寸和組成，從而產生獨特的光學和電子特性。這些不同的結構導致了高光致發光量子產率(PL-QY)。各層為內核提供的額外保護增強了量子點的穩定性。磁芯通常由具有直接帶隙的材料制成，如硒化鎘(CdSe)，而殼層則由具有不同帶隙的硫化鋅(ZnS)等不同材料制成。這種多殼層設計具有獨特的光學特性，例如寬光致發光和可調諧，與傳統的單分量量子點相比，穩定性更高。

Linkov等提出了一種由CdSe/ZnS/CdS/ZnS組成的核多殼量子點，如圖4所示，作為單個殼層的替代品。與單層殼相比，多層殼有幾個優點。例如，通過增加不同數量的殼層，已經實現了量子產率。這些特性使核多殼量子點可用于各種應用，例如 LED、太陽能電池和生物成像。

圖4.(a) 核-多殼量子點的結構 (b) 不同殼層厚度量子點的光致發光光譜

量子點的光學特性是一個重要的研究領域，因為它們與點的大小、形狀、組成和表面化學性質有關。量子點的光學特性可以通過多種方式進行調整，因此可以在廣泛的應用中作為優勢。圖5所示的一個特性是它們寬而連續的激發曲線，這意味著它們可以在 530 nm 以下的任何波長下有效激發。這與羅丹明6 G等有機染料形成鮮明對比，后者的激發范圍有限，發射光譜寬。此外，與有機染料相比，量子點具有幾乎對稱且更窄的發射光譜。這些特性使量子點在廣泛的應用中更加通用和高效。

圖5.羅丹明 6 G 和 CdSe 量子點的激發 (a) 和發射 (b) 曲線

其他量子點，如無機鈣鈦礦量子點(PQD)是近年來因其獨特的光學性質而受到關注的納米材料。它們具有很高的量子產率，即以光致發光形式發射的吸收光子的比例。這一特性使PQD成為高效的光發射器，對于需要高光輸出的應用非常重要。無機鈣鈦礦量子點(PQD)可以表現出大于99%的光致發光量子產率(PLQY)，而無需通過使用寬禁帶外延殼進行表面鈍化，這與傳統的半導體量子點(如CdSe、CdS或PbS)不同。

為了克服量子點結構特性的局限性，使用了各種組成類型的量子點，包括摻雜量子點。這些量子點含有雜質或摻雜劑，通常是金屬或非金屬元素，摻入其核心或殼層結構中，將新的電子態引入量子點，從而改變其特性，如帶隙、電荷載流子動力學和發射波長。可以仔細控制摻雜劑，以針對特定應用定制量子點的特性。摻雜量子點已被發現可以通過提高光電器件(如發光二極管)的效率和穩定性來增強其性能。另一類半導體量子點，即合金半導體量子點，由于其獨特的光電特性，已成為一個重要的研究領域。這些量子點由兩種或多種不同尺寸的不同材料組成的單一晶體結構組成。控制這些組成材料的組成和尺寸，以針對特定應用修改所得量子點的特性。例如，為了調整CdSe量子點的發射，用ZnSe合金化是一種常見的方法，因為僅通過量子約束效應來控制它們的發射具有挑戰性。該方法能夠調諧帶隙能量，并允許更精確地控制量子點的發射波長。 合金量子點表現出更高的發光效率、熱穩定性和光穩定性，并降低了對濕度和溫度等外部因素的敏感性。

2.3. 表面鈍化

量子點的表面會顯著影響量子點的電學和光學性能，因此表面鈍化對于量子點是必要的。 器件的效率和穩定性可能會因表面誘導的缺陷和陷阱狀態而受到影響，這些缺陷和陷阱狀態會影響載流子復合。量子點的大小和形狀也會受到表面的影響。為了解決這些問題，表面鈍化用于“修復”點的表面。與量子點共價鍵合的不同配體結構的發展反過來又充當保護涂層或封蓋層。此過程提高了設備的穩定性和有效性。它進一步降低了缺陷和陷阱態的密度，并有助于保持量子點的尺寸和形狀。總體而言，鈍化層必須能夠保護表面免受環境退化的影響。許多研究調查了表面鈍化如何影響材料的光學和電學特性。通過防止非輻射復合和最小化缺陷狀態來提高發光質量。盡管配體有助于確保量子點處于穩定相，但在量子點表面有過多的加帽配體可能會使電荷傳輸變得困難，從而影響發光二極管(LED)的光電特性。鈍化層的選擇對于獲得量子點的高性能和穩定性非常重要，高電子遷移率、低表面復合率和強化學穩定性都是鈍化材料的理想品質。目前已經提出了幾種不同的方法用于量子點的表面鈍化，包括使用圖6所示的有機配體作為封端劑、無機涂層和自組裝單層。

圖6.有機封頂量子點示意圖

Jung等人報道了使用環保的電活性金屬硫族化物絡合配體(Sn₂S₆^4?, Sn₂Se₆^4?,和In₂Se₄^2?).該配體有助于穩定甲酸、N、N-二甲基甲酰胺 (DMF)和二甲基亞砜 (DMSO) 等極性溶劑中的量子點。該方法改善了器件的穩定性和電荷傳輸。

3. 量子點的合成與表征

量子點的合成和表征是指創建和研究量子點性質的過程，合成涉及用于制造量子點的方法，例如膠體合成、化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。表征涉及研究量子點的特性，例如尺寸、形狀、組成和光學特性。這可以使用透射電子顯微鏡 (TEM)、X 射線衍射 (XRD) 和光譜學(如吸收、光致發光和拉曼)等技術來完成。目的是了解合成條件與所得量子點特性之間的關系。最后，討論了如何優化合成條件，以生產出具有不同應用所需特性的高質量量子點。

3.1. 膠體合成

膠體合成是生產量子點的一種廣泛使用的方法，高溫版本特別有效。Murray、Norris和Bawendi于1993年首次提出這種化學技術來生產量子點。該過程涉及將金屬離子或有機金屬化合物(稱為前體)溶解在溶劑中，然后對其進行各種化學或物理處理以產生所需的量子點。這種合成方法的主要優點是它能夠非常容易地產生不同大小的量子點，使其具有高度可調。

膠體合成的流行技術之一是“熱注射法”。在這種情況下，含有適當元素的前體溶液被快速注入到熱的高溫反應混合物中。因此，前驅體迅速反應生成量子點，量子點迅速冷卻并凝固。通過調整類型、前驅體濃度、反應時間和合成過程中的溫度，可以控制膠體量子點的大小和組成。這種方法可以高效、快速地大量合成尺寸分布均勻的高質量量子點(如圖7所示)。

圖7.膠體量子點，溶液處理合成產生膠體納米晶油墨，具有高度單分散尺寸和形狀的量子點的自組裝導致長程有序超晶格

膠體量子點特別適用于合成無機量子點，如CdSe或CdS和鹵化物鈣鈦礦。Irshad Ahmed等人如圖8所示展示了“熱注射法”與“室溫法”中CdSe QD的合成。值得注意的是，使用HI方法創建的最小量子點的尺寸為2.5 nm。只有 3.3 nm 尺寸的量子點才能使用 RT 方法制造。圖9還研究了合成方案對熒光特性的影響，并與RT方法進行了比較。HI-QDs表現出高光化學穩定性，表明它們在光電器件開發中具有應用潛力。與其他方法相比，這種合成方法具有多項優勢，包括精確控制量子點的大小和形狀、高純度和低缺陷密度。該工藝相對簡單，可用于生產各種不同的量子點類型。因此，這種方法近年來被廣泛用于生產用于各種應用的高質量量子點。

圖8.在強光和紫外(UV)照明下，合成CdSe量子點的兩種方法

圖 9.通過熱注入 (HI) 和室溫 (RT) 合成獲得的量子點樣品的熒光光譜

目前科學界已經產生了大量關于量子點的數據。用于分析這些數據、識別模式并準確做出預測的機器學習方法。例如，Krishnadasan等人開發了一種自主黑盒系統，用于控制微流控反應器中CdSe量子點的合成。通過利用全局搜索算法SNOBFIT，他們發現了最佳的注入速率和反應溫度，從而增加了特定波長下的發射強度。

最近在膠體合成中開發了新的前體、封端劑和合成技術，可以精確控制量子點的大小、形狀和組成。例如，使用PEG或DHLA(二硫醇-PEG-二硫醇)作為加成配體，可以產生具有精確尺寸和形狀的極單分散量子點。

水基合成是合成穩定膠體量子點的經濟高效且環保的方法之一。該方法涉及基于溶液的化學反應，使用前體溶液和堿來觸發膠體溶液中量子點的成核和生長，而無需使用有毒溶劑或高溫。Reza Sahraei開發了一種生長摻雜策略，用于一鍋法合成水溶性雙摻雜Ag，Ni：ZnCdS/ZnS核殼量子點，這是一種新穎的方法。

3.2. 水熱合成

水熱法是一種簡單、低成本的量子點制備方法，對尺寸和形狀有很好的控制。在該方法中，將含有金屬離子和配體的前體溶液置于密封容器中，并在水浴中高壓加熱。隨著溫度和壓力的增加，溶液變得過飽和，因此量子點發生成核。量子點的大小和形狀可以通過改變反應參數(如溫度、壓力和反應時間)來控制。水熱合成的優點之一是，與高溫爐或分子束外延等其他方法相比，它允許在相對較低的溫度下合成量子點。水熱合成是一種合成量子點的方法，其中前體溶液在密封容器(通常是高壓釜)中在高溫高壓下加熱。

Zhu等人提出了一種簡單的水熱法來生產均勻、單分散的 SnO₂在他們的研究中具有較窄直徑范圍(2.3 至 3.1 nm)的量子點。這里描述的水熱技術的關鍵是使用水合肼，或N₂H₄H₂O，它既是堿又是配體，與Sn離子配位并形成復雜的團簇。

Wei-haiYang等報道，水熱法為制備高質量的半胱胺穩定的CdTe量子點提供了一種簡單的方法，在理想條件下，其量子產率(QY)可以達到19.7%。生長速率比在220°C下生長20 min的CdTe量子點的水方法快。在此期間，吸光度峰從490 nm變為640 nm，如圖10所示，平均粒徑從2 nm變為4 nm。

圖 10.覆蓋有CA帽的碲化鎘量子點的吸收和光致發光光譜隨時間的變化

水熱合成允許合成量子點，例如摻雜在氮氣形成NCQDs中的碳量子點(CQD)。這已被成功證明是一種良好的顯像劑，對某些應用(如生物成像)有益。由于其簡單的操作條件，如低能量需求和廉價的設備，水熱合成被認為是最容易獲得的方法。這種合成方法的基本原理圖如圖11所示。

圖 11.水熱處理法合成氮摻雜碳量子點(N-CQDs)示意圖

然而，使用這種合成技術制備的CQD通常具有低于10%的較差熒光量子產率(QY)。氮摻雜已被證明是提高這些質量以抵消這種影響的成功方法。氮摻雜CQDs(N-CQDs)可以保留CQDs的眾多優點，但它們也可以克服這一缺點。此外，用于制造N-CQD的碳源對其QY和光學性能有重大影響。從圖12可以看出，N-CQDs的熒光發射強度強于相同濃度的CQDs溶液。Peng wu利用水熱法合成了N-CQDs，結果表明，這些N-CQDs已被證明是檢測的有效熒光探針強酸性環境中的離子。這是由于其卓越的熒光發射特性，從而具有良好的選擇性和對Fe3+的敏感性離子。

圖12.(a) 在360 nm處輻照的NCQDs和CQDs的紫外-可見吸收光譜(b) NCQDs和CQDs在360 nm處激發的熒光發射光譜

水熱合成也幾乎沒有局限性。所需的高壓和高溫條件可能難以控制，這使得獲得高度均勻和單分散的量子點變得困難。水熱法相對具有成本效益，因為它只需要少量前驅體材料、高壓釜和烘箱，而回流方法通常需要舒倫克線和無氧介質，在合成過程中需要多次前驅體進樣。

量子點水熱合成的一些最新進展包括開發新的前體和表面活性劑，可用于改善量子點的大小和形狀控制。此外，研究人員一直在探索使用替代溶劑，如離子液體和超臨界流體，這可以提高前驅體的溶解度并更好地控制反應條件，并且可以產生高質量和均勻的量子點，并且具有較窄的尺寸分布。

3.3. 仿生合成

量子點的仿生合成是指利用生物材料合成量子點的過程。在這個過程中，量子點的生長和自組裝是基于生物系統中發現的機制和原理來模擬的。與傳統的合成方法相比，在量子點生長中使用仿生技術有幾個優點。在這些常規合成過程中，經常需要高溫、刺激性化學品和高壓來生長量子點。在這些情況下，可能會出現大尺寸和分布不均勻，以及缺陷和雜質。這會對量子點的光學和電氣性能產生影響。然而，“綠色”仿生礦化技術的發展使(II-VI、IV-VI和I-VI)量子點的生產變得更加簡單。使用酶、蛋白質或微生物作為催化劑有助于減少刺激性化學品和高溫的使用，使合成過程更加環保和生物相容性。此外，使用蛋白質、酶和 DNA 等生物分子來穩定量子點并控制其大小、形狀和表面特性。這些生物分子有助于減少缺陷的形成并防止量子點聚集，確保它們保持良好的分散和穩定。合成過程通常涉及將QD形成的前體引入含有穩定生物分子和生物模板的反應介質中。然后將反應介質置于特定條件(如溫度、pH 值和時間)下，以使量子點生長。然后將所得量子點從反應介質中分離出來，必要時進行純化。總體而言，仿生合成是生產高質量量子點的重要方法，可用于光電子、能源、生物學和醫學領域的各種應用。

Li等發現了一種簡單、一鍋、環保的方法，以溶菌酶(Lyz)和牛血清白蛋白(BSA)為生物模板，制備CdSe量子點。然后用已產生的 BSA 功能化 CdSe QD 標記細菌細胞。并確定溶菌酶的生物活性在CdSe形成后持續存在，這對于制造具有生物學功能的熒光納米探針至關重要。

Arriaza等在圖13中展示了一種合成CIS(CuInS₂)量子點，這被證明是一種綠色化學方法，在化學過程中保留了一些生物學特性。CIS納米顆粒是眾多技術應用的首選，包括太陽能電池和生物醫學。

圖 13.CIS QDs的合成和表征概述

3.4. 其他合成工藝

快速簡便的合成技術對于科學家在短時間內進行更精確的實驗，同時最大限度地減少向環境中釋放的熱量至關重要。微波輔助合成提供了一種快速簡便的替代能源，由于其對材料加熱的控制而被廣泛使用。該方法已被證明對量子點制備有效，多項研究證實了其可行性和潛力。量子點前驅體溶解在溶劑中，在反應器中用微波輻照，形成粒徑分布窄、結晶度高的量子點。與傳統合成方法相比，微波輔助合成具有許多優點，包括更短的反應時間、更低的能耗和更高的產品收率。 它還提供對量子點尺寸和形狀的精確控制，這對許多應用至關重要。

4.量子點的最新應用

電子學、化學、物理學和生物科學只是圖14所示的幾個領域，量子點因其獨特的特性而可以使用。量子點的可配置特性，包括它們的大小、形狀、材料和配體選擇，是導致它們表現出這種變化的原因。持續時間、溫度和合成過程都可以精確調整，以控制這些不同的特性。本文的這一部分將探討在各行各業引起極大興趣的量子點應用。

圖 14.量子點的應用

4.1. 存儲器中的量子點

量子點具有高電子遷移率和大帶隙。這使得它們可用于高性能電子設備，如神經形態計算硬件設備、浮柵電容存儲器結構等此外，半導體量子點由于與基于CMOS的解決方案處理方法兼容，已成為光子應用非常理想的候選材料。這些器件具有優異的光吸收系數、結構穩定性，能夠以低成本、大面積覆蓋進行大批量生產。Jeong等在低強度光下創建了CdSe QD浮柵的快速光誘導恢復，如圖16所示。

Mondal等人進行的研究顯示了雙端子、全無機、旋涂Al/ALPO/CdTe：ALPO(4：1)ALPO/有源層硅電容存儲器系統，使用CdTe-NP進行電荷存儲，ALPO作為電介質。面板系統(SOP)可用于這些結構。最大存儲器窗口可以從圖15所示的遲滯寬度獲得。

圖15.(a)不同直流偏置掃描范圍下250KHz的CV曲線;(b)不同頻率下CV曲線

無機鈣鈦礦量子點因其獨特的電學和光學特性而被探索為電阻式隨機存取存儲器 (RRAM) 存儲器件的材料。RRAM在數據存儲、邏輯運算和神經形態器件方面具有廣闊的前景。它具有出色的可擴展性、簡單的 (MIM) 金屬-絕緣體-金屬結構、長數據保留、廉價制造和納秒級速度等優點，為提高內存提供了許多前景。加入量子點還可以使存儲單元更小，這對于創建高密度存儲設備至關重要。RRAM器件是通過將這些QD整合到器件的有源層中而制成的。在RRAM中，存儲單元的電阻可以通過施加電場在高電阻狀態和低電阻狀態之間切換。由于使用了無機鈣鈦礦量子點，RRAM器件具有更高的器件性能、更好的內存保留和更少的泄漏電流。

圖 16.摻入CdSe量子點的OFET示意圖

另一種正在積極研究的存儲器件是基于量子點的憶阻器。近年來，在憶阻器器件中使用量子點作為有源元件的想法越來越受歡迎，其優點是提供更高的tunaility，能夠與電子設備集成和低功耗。憶阻器是一種非易失性存儲器件，可以根據材料的電阻存儲信息。A ZnO/CsPbBr₃基于量子點的憶阻器，具有高開/關比 (>105)和低工作電壓(1 V)由Wu等證明。使用幾種量子點類型的憶阻器，包括有機量子點、金屬氧化物量子點和無機鈣鈦礦量子點，已經取得了進展，并增強了器件的穩定性。基于量子點的憶阻器的發展仍然面臨一些困難和制約，例如需要可靠和有效的制造工藝，開發環保的鉛無機鈣鈦礦以及調節量子點的尺寸和組成的困難。

4.2. 生物醫學應用

基于量子點的納米材料已被證明是非生物醫學應用(如顯示器和其他應用)的競爭者。但是，在考慮此應用程序時需要做出適當的選擇。生物系統存在一些有害影響和相容性問題。與有機染料相比，使用有毒材料、成本高和尺寸大得多是基于量子點的檢測技術的一些缺點。量子點的性質可能受到其毒性的影響。鎘、鉛或鋅等重金屬對人體和環境都有害。如果量子點沒有正確封裝或被分解，這些重金屬可能會被釋放出來并有害。如果量子點被降解或其化學成分因毒性而改變，它們的光學性質(如吸收和發射光譜、量子產率和光致發光壽命)可能會發生變化。合成中使用的溶劑類型、納米顆粒涂層，特別是生長量子點所需的金屬都與毒性有關。這些限制可能會阻礙使用基于量子點的生物測定法來取代成熟的基于染料的檢測。例如，實體瘤可能只能獲得注射納米顆粒劑量的0.7%，這是不令人滿意的。因此，這類量子點在治療和診斷中的使用受到限制。此外，許多因素導致納米材料在生物應用中的使用受到限制。其中之一可以指出是缺乏對納米生物相互作用的深入了解。獲得有關生物系統復雜性的知識并將其轉化為納米參數是一個重要因素。因此，準確調整這些特性對于納米材料的成功應用非常重要，特別是在生物系統中的量子點。如圖17所示，通過流程圖演示了此類量子點的處理。

圖 17.用于生物醫學應用的量子點的處理流程

量子點在生物領域具有潛在的應用，包括成像、生物傳感和治療。對于細胞染色、動物成像和腫瘤生物學研究，通常使用QD進行多色成像。為了實現這些目標，基于熒光的檢測方法是合適的。對于熒光檢測方法，量子點的熒光壽命、光化學穩定性、熒光量子產率和發射各向異性等特性，使檢測具有高分辨率(納米級)和高靈敏度，可低至單分子水平。使用QD標記的DNA探針和抗體分子可以特異性檢測核酸和蛋白質。量子點被廣泛用于生物技術和醫療行業，作為有機染料和熒光染料的替代品。它們還被用于創建下一代生物標記，這有助于克服傳統有機染料和其他熒光團的缺點。例如，CQD在納米醫學領域也特別有吸引力，因為它們在動物身上沒有任何毒性的外在指標，可用于體內研究。Xinglu等進行了一項這樣的研究，如圖18(a)所示，將CQD口服給小鼠，然后在4周后進行檢查。確定他們的內臟器官和過程很少受到影響。抗菌活性是量子點最具吸引力的應用之一。由于量子點在暴露于光時產生活性氧 (ROS) 的能力，這可能導致對細菌細胞的氧化損傷，如圖18(b) 所示。量子點是預防細菌感染的一種有前途的方法，因為這可能導致細胞死亡或生長抑制。大多數關于量子點抗菌作用的早期研究都使用鎘基(Cd)量子點，這些量子點對生物系統有害，并通過實際釋放游離鎘導致時間依賴性細胞死亡2+離子，即使鎘物質被無毒的外殼覆蓋，也具有劇毒。除了抗菌效果外，量子點與傳統抗菌劑相比還有其他好處。由于它們的表面積與體積比大，它們可以更有效地靶向細菌細胞。與傳統抗生素相比，它們更穩定，保質期更長，更易于儲存和運輸。ZnO等納米粒子因其高激子結合能(60 meV)和寬禁帶能(3.37 eV)而受到廣泛關注。此外，在正常光照條件下，它對不同的微生物也具有多種抗菌作用，紫外光照射的活化增加了其抗菌活性。

圖 18.(a) 使用近紅外 (NIR) 熒光在不同時間點(包括注射后 2、4、6 和 24 小時)捕獲的 SCC-7 荷瘤小鼠圖像。該研究包括未注射的對照組，以及靜脈注射 (IV)、皮下注射 (SC) 和肌肉注射 (IM) 的組。這些圖像用白色箭頭表示腫瘤的存在，用紅色箭頭表示腎臟的存在。(b) 量子點的抗菌活性：ROS物種的形成

4.3. 光電器件

量子發光二極管 (QD-LED) 是一種利用量子點作為發光層中的活性材料的 LED。與傳統 LED 相比，QD-LED 的主要優勢在于 QD 可以設計為發射特定波長的光，從而實現更精確的色彩調整和更高的效率。此外，QLED使用量子點發光，與傳統LED相比，這導致了更寬的色域，并產生更明亮、更強烈的光。這使它們成為大型顯示器和高分辨率應用的理想選擇。因此，QD-LED被用于顯示技術，具有較高的顯示性能和較低的制造成本。基于InP的量子點正在成為顯示器應用中發光的有利且環保的選擇。Haiyang Li等開發了一種簡單有效的方法來創建InP/ZnSe/ZnS核/殼/殼量子點，如圖19所示，PL-QY接近100%。與使用氫氟酸生產的量子點相比，這些量子點具有更窄的發射線寬度和更高的熱穩定性。

圖 19.QLED的示意圖和QLED的橫截面TEM圖像

過去30年來，外延工藝的進步在半導體光電子器件領域取得了重大突破。由于在工作躍遷的能量下快速填充電荷載流子，量子約束降低了透明電流。注入載流子較少的群體反轉會導致光學增益，而光學增益取決于注入電流。由于高度約束，電子波和空穴波函數之間的大量重疊增加了躍遷的振蕩器強度。隨著量子點物理尺寸的減小，預計增益會增加。此外，與量子阱 (QW) 設備相比。啁啾系數和線寬增強系數等基本參數，它們在不同激光器中充當性能指標。在量子點激光器的情況下，這些因素要小得多。這是因為與QW和本體等效器件相比，量子點具有更對稱的增益函數。量子激光器具有出色的溫度穩定性，使其能夠在更高的溫度下以更低的功耗運行。它可以進一步優化，然后進行適當的設備設計。在量子激光器中引入p型摻雜顯著提高了熱穩定性。通過摻雜p型材料，可以減少對量子點形狀和尺寸的精確控制。由于摻入了p型摻雜劑，在300 K時，閾值(透明電流)降低了65%，這也顯示出非輻射復合的輕微增加和模態增益的增加，作為透明點的函數。增加增益的另一種有趣方法是施加應變。通常，應變是由半導體層的假晶生長結合的。晶格略微不匹配的半導體層相互生長以實現應變。從理論上講，硅、砷化鎵等常見半導體可以實現的最大應變約為4%。目前正在積極研究應變對二維材料和量子點光電性能的影響。

高效的螺旋復合過程本質上是非輻射的，并導致聲子的發射。螺旋鉆復合過程導致系統能量損失并降低激光器或 LED 的效率(這種現象也稱為下垂)。這發生在高驅動電流下，這對實現激光提出了重大挑戰。如圖20所示，給出了具有不同類型量子點的 QD-LED 的外部量子效率 (EQE) 與電流密度的關系。EQE在電流密度(J = 10 mA cm²)，無論LED中使用的量子點類型如何，此后在較大的電流下，量子點會穩步下降。高載流子密度和小點尺寸會引起顯著的俄歇復合，從而降低閾值電流密度和激光效率。已經采用了多種技術來抵消這種效應，包括改善點的大小和組成，降低缺陷的密度，以及使用幾個不同大小的量子點。建議使用更好的光反饋結構和定制的光波導來改善激光。Wang等通過在器件中加入微腔結構，提出了一種具有高EQE的QLED，如圖21所示。

圖 20.EQE與具有不同類型QD的QD-LED的電流密度

圖 21.(a) QLED器件結構示意圖。(b) 器械的橫截面SEM圖像

最近的進展表明，量子點甚至用于超快激光器，因為量子點提供寬光增益帶寬。超快量子點激光器 (UQDL)，如圖22所示的鎖模量子點激光器。這種類型的激光器利用量子點(QD)作為活性介質。它們的特點是具有超快的時間響應，這意味著它們可以產生皮秒或飛秒量級的極短光脈沖。UQDL的制備具有挑戰性，需要先進的技術，如膠體合成、氣相生長和分子束外延。鎖模QDL的主要優點是能夠產生超快的光脈沖，這使得它們在光譜學、傳感和電信等廣泛應用中非常有用。

圖 22.分度引導、兩段式鎖模 QD 激光器

QD LED (QLED) 的重要特性之一是貨架穩定性。QD-LED的貨架穩定性是其商業化的關鍵方面。它表明 LED 在存儲過程中保持其有效性和質量的能力。對于基于量子點的 LED，貨架穩定性受許多因素的影響，例如活性層中使用的材料類型、尺寸、形狀、成分和封裝方法。通過將量子點封裝在聚合物涂層或玻璃等保護層中可以提高貨架穩定性，因為量子點降解的主要原因之一是它們暴露在空氣和濕氣中。封裝可以防止暴露在空氣和濕氣中，提高貨架穩定性。由于材料降解、表面氧化和熔融，在QLED中實現貨架穩定性具有挑戰性。Ye等誘導了圖23所示的雙層結構，以增加貨架穩定性。基于s-ZnO的器件的性能會改變貨架存儲時間的功能。通過降低閾值電壓從 1.8 V 到 1.7 V， EQE從圖24所示的 10.3%(剛反應完時)上升到 14.9%(第 7 天)。

圖 23.QLED采用SnO₂-ZnO雙層ETL器件結構

圖 24.QLED的EQEmax，Vth，(a)s-ZnO或(b)SnO₂/s-ZnO作為ETL

在制造過程中，還可以通過防止(QDs)和電子傳輸層(ETL)的發光特性失活來實現貨架穩定性。這是通過阻斷導致量子點和ETL之間激子(激發態粒子)丟失的途徑來實現的。

基于量子點聚合物的器件也是一個積極研究的主題。Colvin等展示了混合電致發光(EL)器件。空穴傳輸層(HTL)由旋涂聚(亞苯基乙烯)制成，陽極和陰極分別由氧化銦錫(ITO)和鎂制成。導通電壓為 4.0 V，而 EQE 范圍在 0.00 到 0.01 之間。使用直徑為5 nm的單分散PbSe Qdot實現EL器件的近紅外發射。

最近開發的新型材料，例如具有改進的光學性能和環保的鈣鈦礦量子點。已經開發了量子效率為20%的綠色鈣鈦礦發光二極管(PeLED)。在紅光鈣鈦礦LED(PeLED)或紅光QD LED技術方面進展較少。制造紅色 QD LED 困難的原因有很多。主要挑戰之一與量子點的大小有關。很難合成和穩定具有良好結晶質量、高熒光效率和抗環境降解穩定性等所需特性的大型紅發光量子點。紅光量子點通常需要特定的成分，而這種成分可能難以實現和維護。

Amandeep Singh Pannu等最近開發了一種革命性的方法，利用生物廢物(由人發產生的低成本碳點)來提高發光顯示系統的運行穩定性。他們還利用發光的二維聚苯乙烯磺酸鉀(PSK)作為發光的活性層，然后用發光的紅色碳點(CD)穩定，如圖25所示。通過使用CD-PSK復合膜作為紅光LED的活性層，他們表現出高操作穩定性和比PSK薄膜更高的性能。提高最大發光率 (3011 cd m2)、電荷密度 (330 mA cm2)、運行穩定性(8 h)、卓越的EQE(10.2%)和2.6 V的低導通電壓均由該層顯示。這些PeLED效率高，在高頻調制下具有快速發射能力，非常適合用作可見光通信(VLC)中的光源。然而，這些鈣鈦礦納米晶體在暴露于水和陽光下時可能不穩定。為了增強其穩定性，表面涂層是一種可以有效將納米晶體與水、氧和熱隔離的方法。Li等提出了一種合成CsPbBr的簡單策略。Cs₄PbBr₆NCs通過在室溫下在空氣中誘導四辛基溴化銨(TOAB)配體。這種策略鈍化了缺陷，導致PL-QY的增加。此外，納米晶體表面的第二層二氧化硅涂層增加了它們在水、熱和極性溶劑存在下的穩定性。這些涂層納米晶體可用于VLC，并實現Mbps的傳輸速率。Mo等提出了一種制備CsPbBr₃@ZrO的簡單方法嵌入ZrO₂中的納米晶體2層。這個過程可以在室溫下在空氣中進行，只需20秒即可完成。所得納米晶體在熱和濕氣存在下表現出優異的穩定性。

圖 25.夾在PSK層之間的PSK和CD示意圖

白光 LED (WLED) 因其能源效率高、使用壽命長和對環境影響小而越來越受歡迎。它們是通過將藍色或紫外線 LED 與熒光粉材料相結合而制成的，熒光粉材料吸收一些藍色或紫外線，并在光譜的黃色或紅色部分發光，從而產生白光。PQD已被探索為白光LED的熒光粉材料，其CsPbBr₃Guan等采用一步法室溫合成策略涂覆量子點，這些量子點在氧氣、水分和熱氣下保持穩定，所得WLED表現出優異的發光性能，顯色指數(CRI)為91，高于大多數缺乏紅光和綠光成分的傳統WLED，導致CRI低(<80)QD-WLED可以產生更自然的光線，類似于自然陽光，使其適用于室內照明、攝影和廣色域顯示器。

4.4. 在顏色轉換中的應用

量子點在顏色轉換方面具有廣泛的應用，從改進顯示技術開始。QD在背光中被大量使用，以改善LCD顯示器的色域。在傳統的LCD顯示器中，白色背光用于照亮顯示面板，彩色濾光片用于創建圖像的不同顏色。然而，這種方法有局限性，例如色域窄和色彩準確性差。QD可用于通過將背光的藍光轉換為更廣泛的顏色范圍來改善LCD顯示器的色域。當藍光照射在量子點上時，它們會發出特定波長的光，該波長由其大小和成分決定。通過改變量子點的大小和組成，它們可以發出不同波長的光，覆蓋更廣泛的顏色。在傳統的LCD顯示器中，白色背光用于照亮顯示面板，彩色濾光片用于創建圖像的不同顏色。然而，這種方法有局限性，例如色域窄和色彩準確性差。QD可用于通過將背光的藍光轉換為更廣泛的顏色范圍來改善LCD顯示器的色域。為了在背光中使用量子點，在藍色 LED 背光的頂部放置了一層量子點。當 LED 背光源發出的藍光照射到量子點上時，它們會發出特定波長的光，從而產生比傳統白光 LED 背光源更廣泛的顏色范圍。這導致顯示器具有更寬的色域和更好的色彩準確性，如圖26所示。

圖 26.(A)藍光LED和WLED與獨立彩色轉換膜的混合光譜，以及(B)由兩個確定的綠光和紅光發射NC制成的發光NC和WLED的數字圖像

4.5. 量子密碼學

量子點在密碼學中具有潛在的應用，特別是在量子密鑰分發(QKD)領域。QKD是一種利用量子力學原理在雙方之間安全分發密鑰的方法。此外，量子點已被提議作為用于QKD系統的單光子的可能來源。由于其獨特的光學特性，如高亮度、窄帶寬和長相干時間。基于半導體的量子發射器是一種非常有前途的解決方案，可以按需產生具有近乎完美保真度的糾纏光子。低水平的多光子發射是QKD的重要要求。QKD 系統的通用架構通常由一個量子源組成，該量子源生成用于傳輸密鑰的量子信號。這些信號通過通道傳輸，通道可以是光纖或自由空間。在接收端，量子信號被檢測和處理，以使用探測器提取關鍵信息。量子密鑰分發的一般架構如圖27所示。整個系統的主要組成部分是密鑰管理，負責分發密鑰并確保安全存儲。篩選關鍵速率是需要控制的重要因素之一。篩選密鑰速率是衡量雙方之間通過通信信道生成安全密鑰位的速率，同時確保傳輸信息的安全性不受任何第三方的損害。還有一個很好的g₍₂₎(0)值對于單光子源是可取的，因為它表示發射光子的非經典行為程度。BD₍₂₎(0) 值為 0 表示完美的反聚束行為，這意味著光子一次發射一個，沒有多個光子同時發射。越接近 g₍₂₎(0)值為0，單光子源質量越好。

圖 27.量子密鑰分發 (QKD) 的一般體系結構

Heindel等首次展示了在40 cm距離上自由空間量子密鑰分發(QKD)的物理實驗。他們使用了在紅色和近紅外光譜中發射的高效單光子量子點源。信息被編碼成單光子，通信的安全性基于量子力學定律。紅外發光器件可以通過提供單光子源來影響篩選的密鑰速率。發射的單光子的質量，如其純度、相干性和不可區分性，會直接影響量子密鑰分發協議的效率。此外，器件的光子發射率和光譜特性也可以在確定篩選關鍵速率方面發揮作用。因此，紅外發光器件的性能，包括其g₍₂₎(0)值和量子誤碼率，會影響從系統獲得的篩選密鑰速率的整體質量。紅外發光器件的篩選密鑰速率為27.2 kbit s^?1量子誤碼率為 3.9%，且 g₍₂₎(0)中等激發時值為0.35。在較高激勵下，篩選出的密鑰速率為35.4 kbit s^?1量子誤碼率為 3.8%，且 g₍₂₎(0) 值為 0.49。紅色發光二極管的篩選密鑰速率為95.0 kbit s^?1量子誤碼率為 4.1%，且 g₍₂₎(0) 值為 0.49。F Basso Basset等也進行了類似的研究，但在250 m的自由空間距離上，他們設法共享一個34.589 kB長的密鑰字符串，依賴于60位s^?1.由嵌入 Al 基質中的 GaAs 制成的單個 QD (QD) 產生的光子的原始密鑰速率Al_0.4Ga_0.6As。量子點是使用一種稱為鋁液滴蝕刻的技術創建的。此外，量子點已被用于創建一種稱為量子密碼系統(QDC)的新型加密設備，該設備基于量子點的獨特光學特性和量子力學原理。這些系統利用量子點的特性來創建一個高度安全的加密系統，該系統可以抵抗來自經典計算機和量子計算機的攻擊。

4.6. 基于量子點的自旋電子學

自旋電子學最近作為未來電子學的一個有前途的領域引起了廣泛關注，因為它有可能提高傳統電子產品的性能并降低能耗。基于量子點的自旋電子學的目標是利用量子點中電子的自旋自由度來創建新型電氣器件。電子的自旋具有兩個可以想象的“向上”或“向下”值，可以被認為是其固有的角動量。自旋電子學的目的是通過利用電荷和自旋自由度來開發新的、更有效的電氣器件。自旋電子學有望提供許多優勢，包括非易失性數據存儲、更快、更節能的數據處理、更高的數據密度等等。有效的自旋極化產生、傳輸、轉移、操縱和檢測是充分發揮潛力的必要條件。這些要求都與材料特性密切相關，正如我們所知，量子點可以通過使用靜電來限制由于量子約束而產生的電荷，因此可以控制約束電位，甚至可以利用點的獨特電子和光學特性，例如它們的強庫侖相互作用、高可調性和快速開關時間。自旋電子學不同于傳統電子學。自旋電子學基于操縱電子自旋以及電荷的原理。電子既有電荷又有自旋。在自旋電子學中，電子的自旋用于存儲和處理信息。與僅使用電子電荷來存儲和處理信息的傳統電子學不同，自旋電子學有可能提供更多的功能和更高的數據存儲容量。這導致了基于自旋的量子計算和新型自旋電子器件的發展，如自旋偏振發光二極管、自旋場效應晶體管和自旋濾波器。M droth等討論了各種石墨烯量子點及其相關的自旋弛豫時間。

5. 挑戰與未來展望

在量子點廣泛應用于商業應用之前，量子點在開發過程中需要解決許多問題。一個重要的問題在于合成具有穩定光學特性的均勻、高質量的量子點。量子點可能會在不適當的合成情況下(例如高溫和高壓)結合并產生不需要的副產物。這會影響它們的穩定性和光學質量。微波輔助合成的發展，可以顯著縮短合成時間，提高量子點的收率。使用雜化有機-無機合成結合了有機和無機前體，可以產生高度單分散和可調的量子點。膠體量子點的出現，可以在溫和的條件下在溶液中制造和加工，使大面積制造成為可能，并將量子點的應用范圍擴大到消費電子和光伏等市場。目前的合成技術大多基于批處理工藝，既費時又昂貴。另一個關鍵問題是毒性。由鎘等重金屬生長的量子點是有毒的，會帶來重大的健康問題，并對環境產生不良影響。這限制了它們在生物和醫學成像中的使用。為了應對這一挑戰，研究人員正在探索替代材料和合成方法，以生產具有相似或更好特性的無毒量子點。為了減輕傳統量子點的潛在毒性，一種有效的方法是使用生物相容性配體或聚合物修飾其核殼結構。這有助于減少毒性的負面影響。傳統的基于 Cd 的量子點可能對細胞有害，因為它們具有毒性和導致 DNA 損傷的能力。然而，這種毒性可以通過在核心量子點的表面涂上由聚合物制成的保護涂層來減輕。這種涂層用于防止重金屬離子從量子點內部釋放，從而提高其穩定性并降低其毒性。雖然碳基量子點因其在生物成像中的潛在用途而受到關注，但一個主要障礙是創建可以在長波長范圍內發射并與各種成像模式一起使用的 CQD。為了解決這個問題，研究人員使用水熱方法開發了鉍和釓共摻雜的CQDs(Bi，Gd-CQDs)。這些Bi，Gd-CQD能夠產生多種顏色的熒光，使其適用于細胞成像。在實際應用中使用量子點之前，有必要解決與各種材料的兼容性問題。此外，人們一直在努力提高量子點的光學和電子性能。

在QD-LED中，重要的特性是EQE，如上所述，由于下垂現象，EQE通常會降低。為了解決發光器件的下垂問題，人們采取了兩種方法：優化器件設計和控制量子點的結構。 QD多殼異質結構被發現通過產生限制間隙躍遷的均勻約束電位來有效減少俄歇復合。這使得紅光LED具有高達~100,000 cd m的高無壓降EQE–2.與其他半導體相比，量子點的窄帶發射是下一代顯示器的額外優勢。經過圖案化的量子點被用作光活性物質，可吸收短波長的藍光并發射藍色、綠色和紅色的長波長光。這消除了對單獨濾色片的需求，從而提高了器件效率和光輸出，同時減少了色彩串擾，甚至減少了器件堆棧中的層數。為了解決照明中的能耗問題，固態WLED因其更高的效率、節能能力和環境友好性而被認為是一種很有前途的照明光源。一種簡單有效的提高CsPbBr發光和穩定性的方法3量子點是修飾它們的配體。使用與表面結合更強的理想配體，如丙磺酸鹽和烷基膦酸，可以增強這些量子點的性能。紅綠量子點的高效生產對于實現暖WLED的高顯色指數(CRI)值至關重要，使其成為一種有吸引力的策略。

量子點在太陽能領域顯示出巨大的前景，因為它們可用于制造更高效的太陽能電池。鉛基量子點具有功率轉換效率高、吸收光譜廣等特點，在太陽能電池中具有廣泛的應用。例如，基于近紅外(NIR)PbS量子點的太陽能電池顯示出近12%的轉換效率。

正在開發新材料以增強量子點的光電能力，包括鈣鈦礦和金屬有機框架 (MOF) 量子點。這些MOF-QD可以用作檢測水中汞(Hg)等有害成分的傳感器。這取代了所有傳統的量子點，這些量子點在水中是有毒的，在溶劑等水中不是很穩定，可以進一步用作原子吸收光譜等技術的替代品，后者非常耗時且需要復雜的儀器。包括物聯網 (IoT) 在內的新興技術有望在醫療保健行業中將量子點與物聯網集成。量子點應用的新維度涉及醫院、病理實驗室、人工智能(AI)和量子計算。

6. 結論

綜上所述，量子點因其獨特的性能和在生物醫學、光電子學、量子密碼學和自旋電子學等各個領域的潛在應用而受到廣泛關注。多年來，量子點的合成和表征取得了重大進展，從膠體合成到分子束外延和仿生合成。量子點合成的進步改善了這些納米材料的光學和電子性能。量子點在各個領域的應用已顯示出可喜的成果，并為研發開辟了新的途徑。然而，要進一步推進量子點領域，仍有一些挑戰需要解決。盡管面臨挑戰，但量子點的未來前景是光明的，有望在各個領域的發展中發揮重要作用。總體而言，量子點是一個令人興奮的研究領域，并有可能在各個領域帶來重大進展。