量子點(diǎn)光譜儀

量子點(diǎn)又稱為“納米晶”，它是一種無(wú)機(jī)材料，自身穩(wěn)定性高，其半徑小于大塊的激子波爾半徑。顏色是物質(zhì)的本征狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，宏觀材料的顏色不會(huì)因材料本身形狀和體積的改變而發(fā)生變化，而量子點(diǎn)作為一種尺寸極小的納米材料，其顏色會(huì)因自身原子個(gè)數(shù)的增加或減少而變化，即改變量子點(diǎn)的形狀和大小可以調(diào)諧其吸收的光譜范圍，利用量子點(diǎn)對(duì)光譜的調(diào)諧特性能夠?qū)崿F(xiàn)分光的功能。將不同尺寸的量子點(diǎn)集成在同一基板上，可以看作一種特殊形式的濾波器。單個(gè)量子點(diǎn)對(duì)透過(guò)的光波極為敏感，合理地控制量子點(diǎn)的大小、形狀以及排列方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜連續(xù)精確的探測(cè)；將不同種類的量子點(diǎn)集成一起，則可以實(shí)現(xiàn)不同波段的同時(shí)探測(cè)，量子點(diǎn)光譜儀(Colloidal Quantum Dot Spectrometers,CQDs)就是以此為原理進(jìn)行研制的，其工作原理如圖23所示。

2015年，清華大學(xué)的鮑捷等人首次提出了量子點(diǎn)光譜儀的概念。他們利用量子點(diǎn)體積微小的特點(diǎn)，將195種量子點(diǎn)集中在同一張薄膜上，并將該薄膜與微型探測(cè)器陣列附和在一起，構(gòu)成了微型量子點(diǎn)光譜儀。理論上量子點(diǎn)光譜儀可以覆蓋0.2~5μm的光譜范圍，這種新型光譜儀在極大地減小儀器體積和質(zhì)量的同時(shí)并不影響光譜儀本身的分辨率和使用效率。

2021年，李慧宇團(tuán)隊(duì)針對(duì)近紅外譜段的量子點(diǎn)光譜儀進(jìn)行了研究，他們選取了PbS和PbSe兩種材料的量子點(diǎn)，通過(guò)控制交替合成、配體交換和陽(yáng)離子交換等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)了這兩種量子點(diǎn)的光譜調(diào)諧，該團(tuán)隊(duì)采用195個(gè)量子點(diǎn)進(jìn)行集成，將其作為濾光元件，選用金屬氧化物半導(dǎo)體作為探測(cè)器，構(gòu)成了近紅外量子點(diǎn)光譜儀，圖24所示為該團(tuán)隊(duì)研制的近紅外量子點(diǎn)光譜儀原理圖，其光譜范圍為0.9~1.7μm，平均光譜分辨率可達(dá)6nm。

傳統(tǒng)概念上的光譜儀配置了高精度的光學(xué)和機(jī)械元件，體積笨重、造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用領(lǐng)域嚴(yán)重受限，量子點(diǎn)光譜儀的出現(xiàn)突破了上述局限，為微型光譜儀的推廣提供了新思路。但由于量子點(diǎn)對(duì)光波的調(diào)諧與濾波器類似，在光譜反演時(shí)存在嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題，因此，繼量子點(diǎn)光譜儀出現(xiàn)之后也極大地推動(dòng)了具有針對(duì)性的光譜重建算法的發(fā)展。

量子點(diǎn)光譜儀的工作原理是基于量子力學(xué)和光學(xué)原理的結(jié)合。

在量子點(diǎn)中，電子和光子之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致光子的能量轉(zhuǎn)移和電子狀態(tài)的改變。當(dāng)一個(gè)光子與量子點(diǎn)相互作用時(shí)，它的能量將被吸收并轉(zhuǎn)移到電子上，使電子躍遷到一個(gè)較高的能級(jí)。然后，電子會(huì)從較高的能級(jí)回落到較低的能級(jí)，并釋放出一個(gè)光子。這個(gè)光子的能量與入射光子的能量不同，因此可以通過(guò)測(cè)量這個(gè)光子的能量和數(shù)量來(lái)推斷量子點(diǎn)中電子的狀態(tài)和能級(jí)結(jié)構(gòu)。

量子點(diǎn)光譜儀的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程比較復(fù)雜。

首先，需要使用一個(gè)單色儀來(lái)產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的入射光，該光束將被聚焦到樣品上。然后，使用一個(gè)高靈敏度的光電倍增管來(lái)檢測(cè)樣品發(fā)射的光子數(shù)量和能量分布。接下來(lái)，使用一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)控制單色儀的波長(zhǎng)和掃描范圍，并記錄光電倍增管檢測(cè)到的光子信號(hào)。通過(guò)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和處理，可以獲得樣品的能級(jí)結(jié)構(gòu)、發(fā)光譜、吸收譜等信息。

量子點(diǎn)光譜儀具有許多優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

1. 它可以提供納米級(jí)材料的光學(xué)特性和能級(jí)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，有助于研究材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。

2. 它可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、LED等光電轉(zhuǎn)換器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

3. 它還可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如細(xì)胞成像、藥物篩選、基因測(cè)序等。例如，將量子點(diǎn)光譜儀應(yīng)用于細(xì)胞成像中，可以通過(guò)測(cè)量細(xì)胞中生物分子的熒光信號(hào)來(lái)觀察其分布和動(dòng)態(tài)變化，從而有助于研究生物分子的功能和相互作用。

量子點(diǎn)光譜儀是一種重要的研究工具，它可以提供納米級(jí)材料的光學(xué)特性和能級(jí)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，有助于推動(dòng)納米科技的發(fā)展和應(yīng)用。雖然量子點(diǎn)光譜儀的制造成本較高，但是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，相信它的應(yīng)用前景將會(huì)越來(lái)越廣闊。