糖醋排骨里竟然藏着“高科技材料”!这么厉害 到底是个啥?

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  继纳米材料之后,量子材料在这些年火了起来。

  当然,不止是材料,什么东西挂上个“量子”之后都立刻变得高大上了起来。毕竟量子力学这东西听上去还是有那么一点儿唬人的。

  但有一种量子材料,它不需要巨大的工厂,昂贵的仪器,精妙的技法,只需要一口锅,在家里就能做出来。它就是——量子点材料。

  1、是个啥?

  当我们遇见一个没有听过的名词时,不妨先来一套科学的“素质三连”:是个啥?有啥用?怎么做?

  那这量子点是个啥东西呢?

  顾名思义,量子点,就是能展现出量子性质的“点”。当然,这个“点”并不是真正的零维的点,而是这种材料的尺寸非常小的意思。量子点的尺寸通常在几纳米到几十纳米,这么小的尺寸足以让量子点展现出诸如量子隧穿、库伦阻塞等量子性质。

  

糖醋排骨里竟然藏着“高科技材料”!这么厉害 到底是个啥? 第1张


  细胞上的硫化镉量子点

  实际上,量子点就是一团具有特定结构的原子团簇,它们激发出来的激子量子态会在空间三个方向上都被束缚住(激子:电荷和空穴在库仑作用下形成的束缚态)。这种束缚作用很像自然界中三维状态下原子对电子的束缚作用,因此量子点也会被称为人造原子。

  根据组成量子点主要元素的不同,可以将量子点分为硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化锌量子点、硫化铅量子点、硒化铅量子点、磷化铟量子点以及砷化铟量子点等。不同量子点的制备方式不同,也可以展现出不同的性质。

  2、有啥用?

  量子点有啥用?

  这要从量子点的性质开始说起。

  量子点的性质介于半导体和离散的原子分子之间。在半导体中,电子吸收光子,从价带跃迁至导带,并在价带中留下空穴,这一对电子和空穴会在库仑作用束缚下形成激子。当组成激子的电子和空穴回到对应的基态时,激子的能量便会以光子的形式放出,便形成了荧光。

  

糖醋排骨里竟然藏着“高科技材料”!这么厉害 到底是个啥? 第2张


  激子能级示意图

  之前提到,量子点中同样会有激子,在量子点中的激子也会将能量以光子的形式放出,因此量子点通常都能发出荧光。并且量子点的光电性质通常会随着尺寸和形状的变化而变化,直径为5-6纳米的大量子点发射出更长波长的荧光,如橙光或红光;较小的量子点(2-3纳米)发射较短波长的光,产生像蓝光和绿光这样的颜色的光。量子点这一优秀的可调控发光性质,使其在光电领域有着广阔的应用前景。

  

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  同一束光激发之下不同尺寸的量子点发出不同颜色的光

  量子点的潜在应用包括但不限于单电子晶体管,太阳能电池,发光二极管,激光,单光子源,量子计算,细胞生物学研究,显微镜以及医学成像。

  特别是在显示器领域,量子点有着独特的优势。与传统显示器的不同在于,量子点显示器使用的是蓝色LED光源,前面已经介绍了,不同大小的量子点可以产生不同颜色的光,蓝色LED光经过相应量子点之后,被分别转化成红光或者绿光,再加上空白像素直接显示的蓝光,便有了红、绿、蓝的RGB光,进而组合出所需要的各种颜色。早在2006年6月份,概念版的量子点显示器便得到了提出,2013年更是有了真正的商用量子点显示器,小伙伴们家里摆着的没准儿就是量子点显示器哦~

  3、怎么做?

  铺垫了这么多,终于到了我们开头讲的问题:怎么制备量子点材料?

  目前量子点材料的制备方法大致可以分为三种:化学溶液生长法、外延生长法以及电化学法。不同的方法适用于不同种类的量子点生长。我们一个一个来说。

  首先是化学溶液生长法,小编喜欢把这种方法叫做“大锅焖煮法“,这种方法就是将原料按照一定比例放在化学溶液中,保持一定温度加热一段时间,便可以得到量子点,简单安全又高效,并且通常对环境的破坏非常少,是很常见的一种制备方法。

  这里便不得不提到一种量子点材料——碳量子点材料。它的特殊之处在于,制备原料、方法都太简单了。果汁、牛奶、蛋清、维生素C、葡萄糖、草叶等等,都可以作为碳量子点的制备原料,制备过程对温度的要求也不高。

  小伙伴们平时吃剩的糖醋排骨不要扔,拿出来放在紫外灯光下照一照,如果看到了荧光点,那就是碳量子点。

  外延生长法,又可分为分子束外延生长法以及化学气相沉积法,其原理都是控制原料在特定衬底表面反应沉积,从而得到量子点。用这种方法制备得到的量子点可调控性比较高,特别是分子束外延生长,在超高真空环境中生长,得到产物的纯度会很高;缺点就是制备成本比较昂贵,释放的气体可能会污染环境。除了量子点之外,改变生长温度、时间等参数,可以让产物在衬底上进一步生长,从而得到一维纳米管材料或者二维薄膜材料。

  电化学法,以特定原料作为电极,并通过特定电解液形成电路,通过施加一定的交变电压便可以将量子点从原料电极上剥离下来。这种方法产率高,环境破坏小,缺点就是适用制备的量子点种类有限。

  除了这三种方法,还有其他很多制备量子点的方法,如电弧放电法、激光销蚀法、燃烧法、等离子体合成法等等,不同方法互有优劣,适用制备的量子点种类不同,不同方法制备得到的同种量子点性质也会有所区别。

  量子点材料听起来这么高端,做个饭居然就能做出来。这下子不得不多吃几次糖醋排骨了呢。


标签: 糖醋排骨 高科技

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