量子点材料

基本介绍

量子点是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20 nm之间。常见的量子点由IV、II-VI， IV-VI或III-V元素组成。具体的例子有硅量子点、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、磷化铟量子点和砷化铟量子点等。

量子点是一种纳米级别的半导体，通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定频率的光，而发出的光的频率会随着这种半导体的尺寸的改变而变化，因而通过调节这种纳米半导体的尺寸就可以控制其发出的光的颜色，由于这种纳米半导体拥有限制电子和电子空穴（Electron hole）的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。

量子点

应用前景

1 生命科学

量子点具有很好的光稳定性。量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。

不同粒径的量子点发出不同的光

量子点最大的好处是有丰富的颜色。生物体系的复杂性经常需要同时观察几种组分，如果用染料分子染色，则需要不同波长的光来激发，而量子点则不存在这个问题，使用不同大小（进而不同色彩）的纳米晶体来标记不同的生物分子。使用单一光源就可以使不同的颗粒能够被即时监控。量子点特殊的光学性质使得它在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景

2 半导体器件

量子点半导体

半导体量子点的生长和性质成为当今研究的热点。半导体量子点在单电子器件、存贮器以及各种光电器件等方面具有极为广阔的应用前景。

“半导体量子点材料及量子点激光器”是半导体技术领域中的一个前沿性课题。半导体低维结构材料是一种人工改性的新型半导体低维材料，基于它的量子尺寸效应、量子隧穿和库仑阻塞以及非线性光学效应等是新一代固态量子器件的基础，在未来的纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面有着极其重要的应用前景。以量子点结构为有源区的量子点激光器理论上具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点，将使半导体激光器的性能有一个大的飞跃，对未来半导体激光器市场的发展方向影响巨大。

量子点的发现是纳米科学发展的重要一步，它激发了许多科学家从事这一跨学科领域的研究。随着量子点应用领域拓展到光伏以及其他形式的能量转换、光电探测器、生物医学成像、纳米医学等，一个备受关注的问题就是量子点的毒性问题。在潜在的医学应用背景下，开发使用毒性较小试剂的制备工艺，并寻找避免使用镉、铅或汞等重金属的量子点开发依然任重道远。

今天，不仅经典的II–VI族半导体量子点仍在不断刷新人们对它们的认识，III–V半导体量子点的合成及在发光二极管、光探测器领域的应用还面临着诸多挑战，而新一类钙钛矿型卤化物量子点、具有钙钛矿衍生结构的二维Ruddle sden-Popper相或Dion-Jacobson相纳米材料已在光电、电光转换领域制造了一个又一个转换效率、色纯度的纪录。现代科学的发展对精准合成纳米结构并达到原子级别的控制等都提出了更高的要求。因此，能够安全地、以亚纳米级精度和高重现性地制备纳米材料，是纳米科学领域发展的关键问题之一。

3 液态金属

液态金属是指一种不定型金属，可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。熔点在室温附近的金属或合金，集金属与流体特性于一体，同时具有导电性强、热导率高、液态温区宽等特点，包括镓基液态金属、铋基/铟基/锡基低熔点合金、功能性液态金属复合材料等。（消费电子、智能机器人、新能源）

科研人员展示液态金属的流动性

应用前景

液态金属作为同时兼具流动性、高导热性、高体积相变潜热的材料，为先进散热技术带来了颠覆性变革。例如，液态金属通过浸润性改性后制备的热界面材料，其热阻远低于现有硅脂基热界面材料；将液态金属作为流体散热介质，其换热系数远高于现有液冷技术能达到的换热系数；将液态金属（低熔点合金）作为相变热控材料，其具有传热迅速、单位体积相变潜热大、相变材料内温度梯度小、相变前后体积变化小等显著优势。

由于液态金属是一种液体导电材料，因此可以利用印刷（涂布）工艺将其制造为柔性化、薄膜轻质化、表面共形化电子线路及器件，并有望与规模化生产方式相结合。

液态金属还可与其他材料结合应用在“刚柔相济”的机器人上，构建全新概念的先进机器人技术。

液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动，实现了无需外部电力的自主运动，从而为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统，从而向研制自主独立的柔性机器迈出了关键的一步。

研究揭示，置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量，实现高速、高效的长时运转，一小片铝即可驱动直径约5 mm的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动，速度高达5cm/s。这种柔性机器既可在自由空间运动，又能于各种结构槽道中蜿蜒前行；令人惊讶的是，它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整，遇到拐弯时则有所停顿，好似略作思索后继续行进，整个过程仿佛科幻电影中的终结者机器人现身一般。

应该说，液态金属机器一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主运动，可变形，具备一定代谢功能（化学反应），因此作者们将其命名为液态金属软体动物。

在迄今所发展的各种柔性机器中，自主型液态金属机器所表现出的变形能力、运转速度与寿命水平等均较为罕见，这为其平添了诸多重要用途。

若能实现一种无需外界电力的液态金属泵，通过将其限定于阀座内，可达到自行旋转并泵送流体的目的，据此可快速制造出大量微泵，满足诸如药液、阵列式微流体的输运等，成本极低；若将此类柔型泵用作降温，还可实现高度集成化的微芯片冷却器；进一步的应用可发展成血管或腔道机器人甚至是可自我组装的液态金属智能机器等。

自驱动液态金属机器的问世引申出了全新的可变形机器概念，将显著提速柔性智能机器的研制进程。当前，全球围绕先进机器人的研发活动正处于如火如荼的阶段，若能充分发挥液态金属所展示出的各种巨大潜力，并结合相关技术，将引发诸多超越传统的机器变革。