如何使明亮的量子点更加明亮

量子点是一种人造原子：只有几纳米大小，由半导体材料制成，可以发射特定颜色的光，甚至单个光子，这对量子技术很重要。量子点商业化生产的发现者和先驱于2023年被授予诺贝尔化学奖。

近年来，由钙钛矿制成的量子点特别受到关注。钙钛矿属于一类结构与矿物钙钛矿（钛酸钙）相似的材料。苏黎世联邦理工学院于2015年首次生产了由这种材料制成的量子点。

这些由钙钛矿纳米晶体制成的量子点将与液体混合形成分散体，这使它们易于进一步加工。此外，它们特殊的光学特性使它们比许多其他量子点更明亮。它们也可以更便宜地生产，这使得它们对显示器的应用很有兴趣

由苏黎世联邦理工学院和Empa的Maksym Kovalenko领导的一个研究小组与乌克兰和美国的同行合作，现在已经证明了如何进一步改善钙钛矿量子点的这些有前景的特性。他们使用化学方法进行表面处理和量子力学效应，这在钙钛矿量子点中是前所未有的。研究人员最近在《自然》杂志的两篇论文中发表了他们的研究结果

不高兴的原子会降低亮度

亮度是量子点的一个重要指标，与量子点每秒发射的光子数量有关。量子点在例如被更高频率的紫外线激发后辐射特定颜色（以及频率）的光子

这导致激子的形成，激子由一个电子和一个空穴组成，电子现在可以更自由地移动，换言之，空穴是材料能带结构中缺失的电子。被激发的电子可以回落到较低的能量状态，从而与空穴重新结合。如果在这个过程中释放的能量被转换成光子，量子点就会发光

然而，这并不总是有效的。高级研究员Gabriele Raino解释道：“在钙钛矿纳米晶体的表面，有一些‘不快乐’的原子在晶格中失去了一个邻居。”。这些边缘原子扰乱了纳米晶体内部正负电荷载流子之间的平衡，并可能导致复合过程中释放的能量转化为晶格振动，而不是作为光发射。因此，量子点会“闪烁”，这意味着它不会持续发光

为了防止这种情况的发生，Kovalenko和他的团队开发了一种名为磷脂的特制分子。Kovalenko解释道：“这些磷脂与脂质体非常相似，例如，针对冠状病毒的信使核糖核酸疫苗嵌入脂质体中，使其在血液中稳定，直到到达细胞。”

一个重要的区别是：研究人员优化了他们的分子，使分子的极性（电敏感）部分附着在钙钛矿量子点的表面，并确保为“不快乐”的原子提供电荷伴侣

磷脂的非极性部分突出在外部，也使量子点在有机溶剂等非水溶液中变成分散体成为可能。钙钛矿纳米晶体表面的脂质涂层对其结构稳定性也很重要，正如科瓦连科强调的那样：“这种表面处理绝对适用于我们可能想对量子点进行的任何处理。”，但是它也可以容易地适用于其他金属卤化物量子点

由于超辐射而更加明亮

通过脂质表面，可以将量子点的闪烁减少到95%的电子-空穴复合事件中发射光子的程度。然而，为了使量子点更加明亮，研究人员必须提高复合本身的速度——这需要量子力学

当偶极（正负电荷相互位移）与真空电磁场相互作用时，激发态（如激子）会衰变。偶极越大，衰变越快。创建更大偶极子的一种可能性包括将几个较小的偶极子相干地相互耦合。这可以与机械连接的钟摆进行比较，钟摆在一定时间后相互同步

研究人员能够通过实验证明，相干耦合也适用于钙钛矿量子点——只有一个激子偶极子，通过量子力学效应，它遍布量子点的整个体积，从而产生了自己的几个副本。量子点越大，可以创建的副本就越多。这些拷贝可以带来一种被称为超辐射的效应，通过这种效应激子可以更快地重组

因此，量子点也可以更快地吸收新的激子，因此每秒可以发射更多的光子，使其更加明亮。需要注意的一个重要细节是，速度更快的量子点继续发射单个光子（而不是同时发射几个光子），这使其适用于量子技术