纳米人

Science综述：胶体量子点器件！

纳米人

2018-05-29

信息时代是建立在半导体材料的基础之上的，以高纯半导体单晶的生长为标志。由此设计和制造的电子器件，让我们能够控制体相半导体固体中电荷载流子的浓缩、移动和动力学。

在信息传播、通讯交流、消费品、健康以及能源等领域，智能硬件的发展机会和趋势日益扩大，人们渴望能在任何地方植入电子器件。这种期望电子器件无所不在的强烈需求刺激了材料设计，促进科研人员对材料的物理性能工程化，以开发全新的低成本、大面积和柔性的器件制造方法。

半导体是电子器件和光电器件的核心部件，对于化学纯度和结构完美度要求非常严苛。胶体半导体量子点是有望取代Si的新技术之一，其具有高电荷载流子迁移率，精确的n型和p型掺杂，以及可控的能带宽度等优点。

许多材料都可以制备成胶体半导体量子点，而且胶体量子点非常适合低成本、大面积的溶液制造技术。通过对量子点进行特殊的调控与组装，可以实现大面积、溶液法制备具有特殊电子和光电性能的器件。

图1. 量子点器件构筑

有鉴于此，Kagan等人综述了最近在调控和利用胶体量子点构建电子器件和光电器件方面的进展。由于尺寸、形貌以及相互连接性的可控性，科学家成功制备出传统体相半导体材料所不具备的新性能的电子材料。

图2. 量子点组装的薄膜器件

胶体量子点在2-20 nm区间，具有很强的量子限域效应，其尺寸、形貌、组成和表面功能化配体均可调，表面配体确保量子点的胶体稳定性。量子点的大比表面积确保表面组成和结构对于控制体相半导体固体中电荷载流子的浓缩、移动和动力学等物理性质起到重要作用。量子点表面未配位的原子会捕获和散射电荷载流子，最近的研究进展已经能够实现这种原子的钝化。表面原子、配体和离子作为掺杂材料，可用于控制量量子点的电子亲和力。

表面配体和周围环境可以控制量子点之间的电子、激子和热传递。新的配体化学和母体材料为自由控制激子和电荷载流子的动力学和器件界面设计提供了很大空间。量子点表面的物理化学性能的工程化进展催生了具有高迁移率的晶体管、电路板，高量子产率的光探测器，以及高效发光器件和高效光伏器件。

未来，胶体量子点的表面研究仍是重点！如何组装和集成其他材料，如何构建表面化学与材料性能之间的直接关系，如何完全控制载流子类型、浓度以及迁移，如何控制器件界面的阻碍和陷阱，都将是未来研究的重大方向。