Nanosys 工程师如何利用配体创造完美的量子点

科学

6 月 11 日

作者：乔尔-布莱尔

2025 年 6 月 11 日
7 分钟阅读

量子点可能存在微小缺陷。答案就在被称为配体的更小分子中。

作者：亚当-科瓦奇
插图：若昂-马库斯-费利克斯

配体不仅在合成量子点的过程中发挥着重要作用，而且在保持量子点的稳定性方面也发挥着重要作用，因此量子点屏幕的使用寿命可达 10 万小时。

人们很容易认为先进技术是理所当然的。看着电视屏幕，你可能会忘记为使图像成为可能而进行的大量研究。这包括采用量子点的显示屏，其生产和实施对工程技术提出了相当大的挑战。

这正是 Nanosys 公司量子点配方总监 David Olmeijer 的用武之地。虽然 Olmeijer 在实现量子点鲜艳色彩的过程中发挥了不可或缺的作用，但他在开始科学生涯时并没有考虑到量子点。相反，他学习的是聚合物化学。这是一个幸运的决定，因为正如他所指出的，"几乎每个人都需要聚合物。几乎每一种技术，在某种程度上，都会与聚合物结合在一起"。

这包括量子点。Nanosys 公司生产的量子点可以融入薄膜和油墨等多种物质中。事实证明，这非常适合聚合物化学家。

"奥尔梅耶说："我已经能够参与许多技术，这些技术可能超出了我的核心专长，但我也因此能够利用我的专长。

大约 10 年前，我加入了 Nanosys 公司，这是一种非常有趣的利用纳米材料、纳米复合材料的方式，可以为各种应用制造有趣的产品。

Olmeijer 正在考虑量子点对消费市场的影响，但要让它们发挥应有的作用，Nanosys 的工程师首先需要考虑的是非常非常小的量子点。量子点非常微小，直径只有几纳米。作为参考，一个氢原子的宽度约为 0.1 纳米，DNA 双螺旋的宽度约为 2 纳米。在研究如此微小的物体时，科学家可能会遇到各种难以预料的问题。对于量子点来说，其中一个问题就是高表面体积比。

"量子点是半导体，它们非常非常非常小，而且由于它们非常小，它们的表面与体积比非常高，这意味着表面的电子特性将对整个材料的特性起到非常大的作用，"Olmeijer 解释说，"表面上的任何缺陷都将对量子点本身的效率和性能起到相当重要的作用。"表面上的任何缺陷都会对量子点本身的效率和性能起到相当重要的作用。

这意味着，由于量子点的尺寸，其电子可以从内部迁移到表面。如果表面存在缺陷，这些电子就会卡在那里，从而破坏量子点的特性，使其无法呈现出如此鲜艳明亮的色彩。如果任由这些缺陷存在，量子点要么无法工作，要么工作效率会大大降低。

"奥尔梅耶说："我们谈论的是分子缺陷。"你说的是，在量子点的单个原子上，如果有一个原子的键数不合适，现在就会突然出现过剩的电子或过剩的空穴，量子点的电子特性就会因此受到影响。"

解决这一特殊颗粒大小问题的答案在于被称为配体的有机分子。根据量子点表面原子的不同，配体的具体组成也会不同。它们的共同点是，配体具有两个重要功能。首先，特定种类的配体可以用来修复特定量子点的任何问题。这并不是要在单个纳米点出现缺陷时对其进行修复（考虑到它们的尺寸，这将是一场噩梦），而是要看纳米点是如何诞生的。用于合成量子点的几种前体材料中都含有配体。这些材料经过仔细测量，然后暴露在精确的温度下。当量子点出现和生长时，它们基本上是在配体的海洋中游动，这使得分子从一开始就能附着在量子点上，解决合成过程中的问题。

如果量子点表面的电子过剩，那么加入的配体就能与这些电子结合，" 奥尔梅耶说。

"如果表面缺少电子，那么另一种配体就会加入，它可以捐献电子，帮助修复缺陷。这样，量子点的电子结构就完整了，从而可以更有效地工作。

换句话说，由于配体堵住了电子能够逃逸的空穴，量子点变得更加稳定。配体还能防止氧气等其他分子渗入量子点，这也会影响稳定性。配体不仅能让量子点发挥功能，还能让它们在更长的时间内发挥功能。使用量子点的产品在耗尽之前可以为消费者提供更多的实惠。

奥尔梅耶说："我们有办法让量子点足够稳定，这样您的电视屏幕就能使用 10 万小时或更长时间！"。

鉴于美国人平均每天看 2.67 个小时的电视，这意味着在屏幕耗尽之前，Netflix 大约可以使用一个世纪。

但是，配体不仅仅是一种固定剂。配位体还在使点成为有用的物质方面发挥着不可或缺的作用。正如 Olmeijer 解释的那样，配位体的分子结构使这些点能够混合到不同的溶液中。这就为它们带来了除众所周知的显示器之外的广泛应用。

"他解释说："配体是有机分子，因此有头有尾。"头部与量子点结合，完成修复缺陷的所有工作。然后是尾部，通常是脂肪酸或类似的东西。尾部的作用是让你能在不同的溶剂、不同的聚合物和不同的树脂中处理量子点"。

遗憾的是，在合成量子点时，这些脂肪酸配体的存在导致了另一个需要解决的问题。该工艺中使用的配体具有疏水性，只能在油中发挥良好的作用。如果将这些点掺入的聚合物本身就具有疏水性，这也许不是一件坏事。但如果在使用过程中需要点溶于酒精或其他类似性质的液体，则可能会造成故障。

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"很多极度疏水的聚合物，如丙烯酸酯等，都有一定程度的极性，"Olmeijer 说。"疏水性配体不足以使其与这类聚合物或单体兼容。因此，你需要在配体外壳中引入一些极性，以使量子点与它们兼容。

Olmeijer 解释说，这可以通过更多的配体来实现。

"我们可以做的是，改变配体，"他说。"我们用不同种类的配体取代原有的配体，使量子点能够溶于其他种类的物质中"。

这种工艺的一个例子就是油墨。量子点独特的颜色特性在油墨中的潜在用途是显而易见的（例如，基于量子点的喷墨打印机），但许多油墨都是基于略带极性的分子，因此会对量子点产生敌意。Olmeijer 解释说，Nanosys 有一种工艺可以解决这个问题。

他说："如果要让量子点溶解在墨水中，就必须改变量子点表面的极性。

"这只是极性有机溶剂的世界。如果你真的想让量子点溶于水--如果你有基于水的应用--那么你必须走得更远。你必须在量子点表面施加大量极性，甚至是一些电化学电荷"。

随着奥尔梅耶等人在化学领域不断取得进步，可用于量子点的配体数量仍在不断增加。(你可以不断创造出新的分子，"他兴奋地说）。这种创新意味着量子点的未来简直难以想象。奥尔梅耶指出，在利用量子点制造更好的 VR 和 AR 显示屏之前，无论是配体还是量子点本身，目前都存在一些障碍。但是，在坚定的研究人员的努力下，前景一片光明。

"他说："很难说这能把我们带多远。"所有这些东西都有其逻辑极限。但量子点的世界肯定在努力进入越来越多的应用领域，而像我这样从事量子点合成配体方面工作的人，必须尽自己的一份力量来帮助实现这一目标。