二維材料中的新型量子點：為量子電子器件帶來新可能！

知識 03-20

近日，奧地利維也納技術大學、德國亞琛工業大學、英國曼徹斯特大學的科學家組成的國際科研團隊成功地開發出一種新型量子點，它由兩種二維材料：石墨烯和六方氮化硼，以及掃描隧道顯微鏡的針尖組成。

背景

近些年來，隨著量子點電視的上市，量子點技術成為備受大眾追捧和科學家關注的熱門前沿科技領域。

那麼，量子點到底是什麼？簡單說，量子點（Quantum Dot）是半徑小於或接近於激子波爾半徑的半導體納米晶體，由有限數目的原子組成，是一種大部由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成的准零維納米材料，其三個維度的尺寸都在1-10nm。當半導體粒子達到納米尺寸級別後，不同尺寸的量子點會發射出不同頻率的光，在可見光頻譜範圍內，最明顯的就是顏色變化。

（圖片來源：維基百科）

量子點獨特的性質基於它自身的量子效應，當顆粒尺寸進入納米量級時，尺寸限域將引起尺寸效應、量子限域效應、宏觀量子隧道效應和表面效應，從而派生出納米體系具有常觀體系和微觀體系不同的低維物性，展現出許多不同於宏觀體材料的物理化學性質。

量子點技術在非線形光學、磁介質、催化、醫藥及功能材料等方面具有極為廣闊的應用前景，同時將對生命科學和信息技術的持續發展以及物質領域的基礎研究產生深刻的影響。現在，量子點技術比較熱門的應用有：LED、太陽能電池和生物醫學標記等。

創新

近日，奧地利維也納技術大學、德國亞琛工業大學、英國曼徹斯特大學的科學家組成的國際科研團隊成功地開發出一種新型量子點，它由兩種新材料（其中每一種都由單原子層組成）和掃描隧道顯微鏡的針尖組成。在這些非常小的納米結構中，直接精準地調整電子能級，可以實現對個別電子的精細控制。

（圖片來源：維也納技術大學）

奧地利維也納技術大學的 Florian Libisch 教授和 Joachim Burgd?rfer 教授帶領的團隊對於這項新技術展開了理論模擬。德國亞琛工業大學（RWTH Aachen） Markus Morgenstern 教授的研究小組參與了實驗，而英國曼徹斯特大學的諾貝爾獎獲得者 Andre Geim 和 Kostya Novoselov 的團隊為實驗準備了樣品。研究成果最近發表於《Nature Nanotechnology》雜誌。

（圖片來源：維也納技術大學）

技術

TU Wien 理論物理研究所的Florian Libisch 解釋道：「對於量子技術領域的許多應用來說，都需要該量子系統中的電子可以佔據兩個狀態，有點類似經典開關的開或關，區別在於量子物理允許這開和關的狀態任意疊加。」

這種系統的關鍵特性之一，就是那兩個量子狀態之間的能量差。Libisch 說：「有效地操控存儲於電子的量子狀態中的信息，需要完美地控制系統參數。一個理想的系統需要能夠持續地調整能量差，從零到非常大的值。」

對於自然中發現的系統來說，例如原子，這一點通常非常難以實現。原子狀態的能量以及它們之間差異是固定的。在以束縛電子為目標設計的合成納米結構中，調整能量變得可能。這種結構通常被稱為「量子點」或者「人造原子」。

然而，這種新型量子點，具有比以往更加精準並廣泛調諧的束縛電子能級。這一科研進展歸功於兩種特殊材料的結合，它們分別是：石墨烯，一種導電的單層碳原子結構；六方氮化硼，也是一種單層材料，與石墨烯相似，不同之處在於它是絕緣的。

六方氮化硼也形成了與石墨烯非常相似的蜂窩狀晶格。Florian Libisch 表示：「然而，石墨烯和六方氮化硼中的蜂窩狀結構，尺寸並不完全相同。如果你小心翼翼地將一層石墨烯放置到一層六方氮化硼上，這兩層無法完美地匹配。這種輕微的失配卻製造出一種跨越幾納米的超晶格結構（superstructure ），它導致了石墨烯層在完美平面之外的一種極度規律的波狀空間振蕩。」

正如 TU Wien 的大量模擬所示，在六方氮化硼之上的石墨烯中的這些振蕩恰恰形成了理想的「腳手架」結構，從而控制電子能量。這種常規的超晶格結構潛在地描繪出一幅景象，精準地安置量子點，或者甚至持續地移動量子點，從而平滑地改變它的特性。量子點內部電子狀態能級的變化，取決於掃描隧道顯微鏡針尖的確切位置。