Nanosys工程师如何利用配体创造出完美的量子点

科学

6月11日

作者：Joel Blair

2025年6月11日
7 分钟阅读

量子点可能存在微小缺陷。答案在于更小的分子，即配体。

作者：Adam Kovac
插图：João Marcus Felix

配体在合成量子点中起着至关重要的作用，同时在维持其稳定性方面也发挥着重要作用，从而使屏幕能够持续使用 100,000 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，您可能会忘记为实现图像所投入的大量研究。这包括采用量子点的显示器，其生产和实施带来了相当大的工程挑战。

这就是 Nanosys 量子点配方总监 David Olmeijer 的用武之地。虽然 Olmeijer 在提出使量子点呈现鲜艳色彩的工艺过程中发挥着不可或缺的作用，但他最初的科学职业生涯并非以此为目标。相反，他学习的是聚合物化学。这是一个幸运的决定，因为正如他指出的那样，“几乎所有人都需要聚合物。几乎每一种技术，在某种程度上，都会包含一些与聚合物相关的东西。”

这包括量子点。Nanosys 生产的量子点被应用于各种物质中，如薄膜和油墨。事实证明，这非常适合聚合物化学家。

Olmeijer 说：“我能够参与许多可能超出我的核心专业知识范围的技术，但我能够利用我的专业知识来实现目标。”

大约 10 年前，我加入了 Nanosys，这是一种非常有趣的方式来利用纳米材料、纳米复合材料，以一种可以为各种应用制造有趣产品的方式。

Olmeijer 对量子点可能给消费市场带来的影响抱有远大的设想，但为了使其发挥应有的作用，Nanosys 的工程师们首先需要从微观层面入手。量子点极其微小，直径仅为几纳米。作为参考，一个氢原子约为 0.1 纳米，而 DNA 双螺旋的宽度约为 2 纳米。在如此微小的尺度下进行研究时，科学家们可能会遇到各种无法预测的问题。对于量子点而言，其中一个问题就是高表面体积比。

Olmeijer 解释说：“量子点是半导体，而且非常非常小，因此会产生非常高的表面体积比，这意味着表面的电子特性将在材料的整体属性中发挥重要作用。” “表面上的任何缺陷都会对量子点本身的效率和性能产生相当大的影响。”

这意味着，由于量子点的尺寸很小，其中的电子会从内部迁移到表面。如果表面存在缺陷，这些电子可能会卡在那里，从而破坏量子点呈现鲜艳色彩的特性。如果允许这些缺陷存在，量子点将无法工作，或者工作效率会大大降低。

Olmeijer 说：“我们讨论的是分子缺陷。具体来说，如果量子点的单个原子没有正确数量的键，那么就会突然出现过量的电子或空穴，从而影响量子点的电子特性。”

解决这个特定颗粒尺寸问题的方法在于称为配体的有机分子。它们的具体成分可能因量子点表面出现的原子而异。它们的共同之处在于，配体具有两个重要功能。首先，可以使用特定类型的配体来修复特定量子点的缺陷。这不是指在量子点出现缺陷时对其进行逐个修复（考虑到它们的尺寸，这将是一场噩梦），而是指量子点的诞生方式。配体存在于用于合成量子点的几种前体材料中。这些材料经过仔细测量，然后暴露在精确的温度下。随着量子点的出现和生长，它们基本上浸泡在配体的海洋中，这使得分子能够从一开始就附着在量子点上，从而在合成过程中修复问题。

Olmeijer 说：“如果量子点表面有过量的电子，那么进入的配体可以与这些电子结合。”

“如果表面缺少电子，那么另一种配体会进入，它可以提供电子来帮助修复该缺陷。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，由于配体填补了电子可能逸出的空隙，因此量子点变得更加稳定。配体还可以防止其他分子（如氧气）渗入量子点，从而影响稳定性。配体不仅使量子点能够发挥其功能，而且还使它们能够更长时间地发挥功能。使用量子点的产品可以在磨损之前为消费者提供更高的性价比。

Olmeijer 说：“我们有策略可以使量子点足够稳定，从而使您的电视屏幕可以使用 100,000 小时或更长时间！”

鉴于美国人平均每天观看 2.67 小时的电视，这意味着大约一个世纪的 Netflix 观看时间屏幕才会磨损。

但是，配体不仅仅充当修复剂。它们还在使量子点发挥作用方面发挥着不可或缺的作用。正如 Olmeijer 解释的那样，配体的分子结构使得量子点能够混合到不同的溶液中。这为它们开辟了超出显示器之外的广泛应用。

他解释说：“配体是有机分子，因此它们有头部和尾部。” “头部与量子点结合，并完成修复缺陷的所有工作。但是尾部通常是脂肪酸或类似的东西。尾部所做的是，它将允许您在不同的溶剂、不同的聚合物、不同的树脂中处理量子点。”

不幸的是，用这些脂肪酸配体合成量子点会导致另一个需要解决的问题。该过程中使用的配体是疏水的，只能在油中良好地发挥作用。如果量子点将要结合到的聚合物本身就是疏水的，那么这可能不是一件坏事。但是，如果存在需要量子点可溶于酒精或该性质的其他液体的用例，则可能会导致故障。

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Olmeijer 说：“许多极疏水的聚合物，如丙烯酸酯等，都具有一定程度的极性。” “疏水性配体不足以使它们与这些类型的聚合物或单体相容。因此，您需要在配体壳中引入一些极性，以使您的量子点与它们相容。”

Olmeijer 解释说，这可以通过更多的配体来完成。

他说：“我们可以在这里做的是，我们改变配体。” “我们用不同种类的配体替换那里的原始配体，这些配体允许量子点溶于其他种类的东西。”

墨水就是这个过程的一个例子。量子点在墨水中独特颜色特性的潜在用途是显而易见的（例如，基于量子点的喷墨打印机），但是许多墨水都是基于略带极性的分子，并且会对量子点产生敌意。Olmeijer 解释说，Nanosys 有一个可以纠正此问题的过程。

他说：“如果您要将量子点溶解在墨水中，那么您几乎必须做一些改变量子点表面极性的事情。”

“这只是在谈论极性有机溶剂的世界。如果您真的想让量子点溶于水中——如果您有水基应用——那么您必须走得更远。您必须，您必须真正地在量子点表面上施加大量的极性，甚至可能是一些电化学电荷。”

可用于量子点的配体数量仍在增长，因为像 Olmeijer 这样的人不断在化学领域取得进展。（“您可以随时创造新的分子，”他热情地说）。这种创新意味着量子点的未来简直是难以想象的。Olmeijer 指出，在可以使用它们来创建改进的 VR 和 AR 显示器之前，目前存在一些障碍，包括配体和量子点本身。但是，在敬业的研究人员的努力下，未来一片光明。

他说：“很难说这能带我们走多远。” “所有这些事情都有其逻辑上的限制。但是量子点的世界肯定在尝试进入越来越多的应用，而像我这样从事量子点合成配体方面工作的人，将不得不尽我们的一份力量来帮助实现这一目标。”