2023年诺贝尔科学奖中的新质生产力②丨量子点，纳米技术领域一个里程碑

  10月4日，诺贝尔奖委员会宣布，将2023年诺贝尔化学奖授予美国麻省理工学院教授蒙吉G巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美国哥伦比亚大学教授路易斯E布鲁斯（Louis E. Brus）和美国纳米晶体技术公司前首席科学家阿列克谢伊基莫夫（Alexei I. Ekimov），以表彰他们在发现和合成量子点（Quantum dots）方面作出的贡献。

  诺贝尔化学奖委员会成员、瑞典皇家科学院院士、纳米物理学教授海纳林克（Heiner Linke）说，“量子点可以被看作是整个纳米技术领域的一个里程碑。”

  目前已被应用到高清显示器和电脑屏幕上提供绚丽色彩的量子点，是一种纳米尺度的晶体，通常由数千个原子组成。1纳米约为一根头发丝直径的5万分之一，约为氢原子直径的10倍。

  量子点，是因电子态量子限域效应表现出尺寸依赖性质的晶态纳米颗粒。也即当一个纳米颗粒只由少数（如数千）个原子组成时，电子运动受限在纳米尺度空间（近似看作“点”），其能级不再连续，而是分立“量子化”的，导致其发光等性质也具有量子化特征，故称为量子点。通常是指半径小于或接近于其激子玻尔半径的准零维半导体纳米晶体。

  量子点的发现，向世人揭示了一种新的物质能级结构调控原理，即在不改变物质组成前提下，仅通过尺寸调节就能得到不同带隙的材料。而基于这一新的原理以及蒙吉G巴文迪教授所发展的量子点合成新方法，发光性质可调的高质量量子点为基础研究以及实际应用提供了无限可能。例如，量子点可当作研究基础物理问题的有力工具。得益于量子点相对简单可控的电子结构与量子化能级特征，其可当作量子计算机载体；量子点作为量子光源同样独具魅力，可以高保真地发射单光子和纠缠光子，为利用量子限域效应带来了新的机遇；量子点的激子强吸收和高光转换效率以及发光颜色多色可调性，使得生物体系多因子同时调控的实时动态跟踪研究成为可能。

  量子点巨大的应用潜力不断凸显，已有比较充分的应用展示的领域，包括量子点显示、生物成像、照明、太阳能电池、光催化等。

  与诸多改变人类发展进程的重大发现一样，量子点是被偶然发现的。苏联科学家Alexei I.Ekimov在研究彩色玻璃时发现了纳米颗粒的尺寸依赖性质，并于1980年发表在俄文期刊Fiz. Khim. Stekla（《玻璃的物理与化学》）上，标志着量子点的发现。

  1983年，美国的Louis E. Brus在研究硫化镉胶体溶液时，发现了硫化镉的激子吸收峰与其颗粒粒径紧密关联，并提出了纳米尺度硫化镉光学性质的量子尺寸效应，发表在J. Chem. Phys.上；随后，在详细研究其机理之后，提出了著名的描述量子点第一激子激发态能量与其块体带隙、尺寸相关的量子限域能以及电子-空穴库仑相互作用能之间关系的理论公式，也发表于1983年和1984年的J.Chem.Phys.上。麻省理工学院化学系Moungi G.Bawendi教授于1993年在J. Am. Chem. Soc.上发表了具有划时代意义的“热注射法”，制备出了高质量量子点，极大地推动了该研究领域的发展。

  今年，J.Chem.Phys.出版了一期专刊，纪念40年前Louis E. Brus教授发表的第一篇有关胶体量子点量子尺寸效应的研究论文，我们也受邀报道了一个工作。

  有意思的是，Moungi G. Bawendi曾在Louis E. Brus课题组从事过博士后研究工作，属于师承关系，说明一个领域的突破是需要科学家承前启后的共同努力。

  量子点，具有可调的光学、电学、化学和物理特性。就发光性质来说，具有高亮度（因激子强吸收和高量子产率）、发光颜色几乎任意可调（因能级结构可调）等现有材料所无可比拟的独特性质，在很多领域有很好的应用前景，包括生物标记成像、光电显示、柔性电子器件制造、太阳能电池、光催化合成、照明、微型传感器、环境污染物降解甚至量子计算机等，且有些领域的应用已有一定的发展。如今，量子点最具商业经济价值的应用是在高清显示领域，包括电视、电脑、平板、手机等，具有万亿级市场规模。量子点的应用不仅能极大的提升显示色域，节约能耗，而且还能节约宝贵的稀土战略资源。因而量子点电视被视为高色域彩电的最佳方案。目前有QD-LCD、AMQLED方案并行研发，已逐步走上商业化快车道。我国在这方面占有70%的产能，推动该领域发展将促进我国显示行业的产业升级，极具战略意义。例如，广纳珈源（广州）科技有限公司创立了量子点光扩散板（QD-PS）背光新模式，不仅BT.2020色域提升至95%，而且成本还降低50%以上。在全球首次实现了量子点光扩散板的实际应用，已投入量产并用于200多万台量子点电视机，对提高我国在量子点显示领域的国际地位、占领未来显示产业高质量发展制高点、从显示材料源头和背光模式上改变受制于人的被动局面，具有重大意义。

  量子点显示（真实地呈现自然颜色，而且节能并节约珍贵稀土战略资源。）自1998年量子点首次应用于生物成像后，量子点在生物应用领域大放异彩。例如，量子点已经在生物标记成像、生物检测、病理染色、试剂盒等方面得到了广泛应用，并实现了部分商业转化。我们充分的利用量子点高亮度、多色、耐光漂白等优点，系统性地发展了量子点单病毒示踪技术，并揭示了禽流感病毒感染动态过程的新途径，为病原微生物感染过程的多重动态信息实时原位获取提供了强有力的新手段。针对活体成像需求已发展出所需要的低毒近红外量子点，可为疾病诊断提供高时空分辨的荧光图像。跟着社会经济的发展，化石能源有限且高碳排放的现状促使能源资源高效转换成为亟待解决的问题。量子点的高单色性、高量子产率、带隙可调等近乎完美的光学特性，使其成为光电转换领域最炙手可热的新星。在碳中和目标任务背景下，我国2022年全年光伏产业链行业总产值已突破1.4万亿元人民币，并仍在快速提升，但光伏电池产业主体仍为单晶硅和多晶硅光伏电池，胶体量子点可以比现有的单晶硅光伏电池吸收更广波长范围的太阳光，并且其可在相比来说较低成本的前提下，大批量、高质量合成，可望满足大规模应用需求。根据美国国家可再次生产的能源实验室的数据，截至目前，单独量子点光伏电池的外量子效率已达18.1%，多结光伏电池的效率纪录更是不断刷新，可溶液合成处理的量子点光伏电池在该行业领域无疑具有很大的应用潜力。大范围的应用仍面临很多问题虽“量子点发现和合成”获得今年诺贝尔化学奖，但量子点的广泛应用仍面临很多问题。其中最难的是如何在工业生产里实现量子点性能精准控制和使役的长期稳定性。以量子点显示为例，若要满足高色域和节能要求，比较理想的情况是规模化量产时（吨级水平），量子点的荧光半峰宽应达到约20nm，荧光量子产率最好大于95%。与此同时，对量子点的稳定性要求也极为苛刻，必须能耐受高温熔融加工和随后在光、热、水、氧极端条件下的破坏，再经受长达10年使用的考验，这是一个巨大的挑战。我们经过22年的潜心系统研究，通过考虑量子点的发光核、限域层、配体层、应用场景等因素，合成出了荧光量子产率接近100%，荧光半峰宽约20nm的高质量量子点，为其广色域背光显示应用奠定了坚实的基础。此外，精巧设计量子点的“多壳层+厚壳层”等多级复合结构，突破传统量子点不耐高温加工的世界性难题；发展了非注射的往复式升温策略，攻克了高质量量子点的大规模制造难题，年产能超1吨。值得一提的是，量子点的发展极具个性化色彩，往往需要有的放矢，具体需求，具体分析。所以，需要继续加强量子点的基础研究，尤其是针对不一样应用场景的需求设计和制备量子点。此外，量子点大规模应用需要发动和联合上下游企业，共同通力合作，着力推进。同时，急需培养大批专业性应用人才，以满足加快速度进行发展的市场需求。我相信，在多部门协同支持下形成合力，将推动我们国家量子点的基础研究、产业转化以及大规模应用的快速发展。（作者：庞代文，南开大学杰出教授，美国医学与生物工程院Fellow，英国皇家化学会Fellow，全国纳标委委员及纳米光电显示技术标准化工作组组长。先后主持国家自然科学基金委杰出青年科学基金、基金委创新研究群体、基金委重大、国家973等项目。从2001年开始从事量子点研究一直至今，在我们国家量子点基础研究与产业化方面做出了开创性工作。发表SCI收录论文430多篇，引用2.2万多次，获授权国家发明专利42件，参与制定量子点国家标准3项。本文编辑：朱广清）

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