Sargent教授Science综述：半导体量子点，未来可期！
第一作者：F. Pelayo García de Arquer
通讯作者：Edward H. Sargent教授
通讯单位：多伦多大学
论文DOI: 10.1126/science.aaz8541
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在量子限域的半导体纳米结构中，电子会表现出与体相固体中不同的行为，这使得设计具有可调化学、物理、电学和光学特性的材料成为可能。零维半导体量子点(QDs)在可见光和红外波长范围内具有较强的光吸收和明亮的窄带发射，因此已被设计用于光学增益和激光领域，这些特性对成像、太阳能采集、显示器及通信技术都很有意义。在本文中，多伦多大学Edward H. Sargent教授等课题组综述了量子点纳米材料的合成和理论进展，重点介绍了胶体量子点，并详细讨论了其在显示及照明、激光、传感、电子、太阳能转换、光催化和量子信息等技术方面的前景。
背景介绍
传统体相半导体的电子和光学性质由材料组成、晶体结构以及有意和无意的杂质(掺杂剂)决定。分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等逐层晶体生长技术的进步，可以制备出具有宽范围可调光电特性的高结晶性Si和III-V(例如GaAs、InP和GaN)等半导体。与体相半导体相比，量子限域结构则表现出与尺寸相关的电子特性，因此具有更高的可调控性，从而在材料和器件设计中具有更高的杠杆作用。
半导体量子点具有明亮及窄带发光特性，并在可见光和近红外光谱范围内实现调控，因此对于实现更高效、颜色更纯正的显示器具有吸引力。此外，量子点在成分和结构上也可调控能量状态和电荷相互作用，导致光学增益和激光，与可见光和红外波长的光发射以及光纤通信等应用息息相关。量子点可调控的表面化学特性也使其在生物成像中作为光学标签使用，通过将量子点与蛋白质与抗体相连接得以实现。利用具有不同化学和物理功能的封端分子操纵量子点表面，可以将其组装成半导体固体，增加导电性并将光子和化学刺激转化为电信号。光电器件，如晶体管和光电探测器，可使摄像机对可见光和红外光敏感。通过高温和真空作用，可以让高结晶性量子点在选择的衬底上外延生长，可用于高性能激光器。胶体量子点可以在温和条件下在溶液中制备，这使其大规模生产成为可能，并将量子点的应用范围扩大到消费电子和光伏等市场。
图文解析
图1. 半导体量子点技术：量子点具有可调控及独特的光学、电学、化学和物理性质，其应用涵盖能源采集、照明、显示器、摄像机、传感器、通信技术、生物学和医学等领域。这些技术已被用于商业可用的高效激光器、显示器、生物标签和太阳能采集设备，并逐步在光伏、传感和量子通讯领域出现。
图2. QDs的量子限域作用及制备：(a)当电子波函数的空间范围小于玻尔激子直径(aB)时，就会发生量子限域作用，从而导致其与体相母体不同的光学和电学性质，图中D为量子点的直径；(b-e) 0D半导体纳米结构的制备策略，包括早期报导的熔融玻璃高温沉淀技术、自上而下光刻技术、利用分子束外延(MBE)通过逐层外延沉积成核和生长纳米岛、以及溶液基中低温胶体合成技术等。
图3. 量子点材料在显示器和发光领域的应用：(a)与其它半导体相比，窄带cQD发光在产生纯色方面具有显著的竞争优势，这是下一代显示器的必要条件；(b)显示器可以使用cQD作为由发光二极管(LED)激发的颜色转换磷光体，或者作为由施加偏压直接驱动的活性电致发光材料；(c)在另一方案中，图案化的cQD可被用作光活性材料，吸收短波蓝光并重新发射长波蓝色、绿色和红色的光；(d)在基于cQD的电致发光结构中，cQD可用于实现红绿蓝(RGB) LED，从而减少屏幕厚度、增强动态范围、改善黑色渲染，并增加视角和帧率；(e)在QD-LEDs中，cQD活性层通常夹在电子注入层和空穴注入层之间；(f)在俄歇衰变过程中，电子-空穴复合能不是以光子的形式释放，而是转移到残留的电荷载流子上；(g)通过使用具有抑制俄歇复合的cQD，可实现约13.5%的无衰减EQE，并保持高亮度水平约0.15 Mcd m-2。
图4. 量子点材料在激光领域的应用：(a)量子点的光学增益来源于双激子, 因此抑制俄歇复合是实现激光的关键，特别是在连续光和直流电子泵入的情况下；(b)理论建模表明连续激光阈值对双激子寿命有很强的依赖性(τXX = τr,XXτA,XX/(τr,XX +τA,XX)，此处τr,XX与τA,XX分别为双激子的辐射寿命和俄歇寿命；(c)由于双轴应变的增加，轻空穴态和重空穴态之间的分裂会导致光学增益阈值的降低，从而有利于实现连续激光；(d)连续梯度cQDs (cg-cQDs)对俄歇衰减有很强的抑制作用，可提高双激子发射效率，并延长光学增益寿命；(e)可聚焦电流的LED构型有助于将电流密度提升到足以在cQD活性层中实现粒子数反转的水平；(f)将cg-cQDs掺入电流聚焦LED中实现光波放大。
图5. 量子点材料在传感领域的应用：(a)早期的QDs光探测器依赖于嵌入到更宽带隙InP基体中的III-V eQDs场发射；(b) cQDs的程序化表面修饰和组装将导致具有高SWIR灵敏度的光导cQDs固体；(c)使用HgTe cQDs可以实现原本在MWIR区间具有挑战性的光探测，图中cQDs背对背光电二极管可实现SWIR和MWIR波段的单片检测；(d) cQDs可以掺杂至硅基成像技术中实现了新传感架构，如顶面光电探测等，因为cQDs可以使Si CMOS读出集成电路(ROIC)敏感化；(e) cQDs与石墨烯等高迁移率材料的结合可以提供较大的光导增益，该传感平台也可集成到CMOS中；(f) cQDs还可通过使用IR cQD产生光电压，从而在光电压晶体管中与Si单片集成，有效调节Si中的电荷传输。
图6. 量子点材料在太阳能收集领域的应用：(a)太阳辐射谱和累积功率；(b) cQDs吸收可在整个太阳光谱范围内进行调节，这对轻型独立太阳能电池或串联电池来说非常有意义，可以增加其它技术的净PCE值，如钙钛矿(额外+15.6%PCE)和cSi (+6%PCE)；(c)在量子点固体中有效的光伏运行需要将准费米能级分裂的缺陷最小化，并需要足够的量子点耦合以促进电荷传输到电子(ETL)和空穴(HTL)传输电极；(d-e) 钙钛矿型cQDs已成为实现稳定成分和创纪录PCE高质量钙钛矿固体的新策略；(f) 在LSC中，cQDs会吸收入射的太阳光，然后重新发射通过LSC板内反射捕获的低能量光子，并将其引导至太阳能电池；(g) LSC性能可以通过增加LSC质量因子(QLSC)来提高，该因子定义为入射(α1)光子和再发射(α2)光子的吸收系数之比(QLSC = α1/α2)；(h) cQDs是以化学键形式储存太阳能的光催化剂和电催化剂重要候选材料。
图7. 量子点材料在量子产光领域的应用：(a)上图为基于QD耦合共振腔的单光子原，下图为二阶强度相关函数(g2)在时间零点呈现“反聚束下降”，这是高单光子纯度的特征；(b)如果两个无法区分的光子同时到达分束器，它们将沿着与光子对相同的光路离开，该实验用于评估光子不可分辨性的程度；(c)通过双激子衰变“辐射级联”产生的偏振纠缠光子对；(d)纠缠度可以通过偏振层析来评估，相互干扰作用将导致Poincare球的表面态；(e)胶体CsPbX3组装体的超荧光现象；(f) CsPbX3量子点的单光子发射，相干时间为几十皮秒。
总结与展望
从化学的角度来看，在量子点制备方面还需取得进一步的进展，以维持和改善所需的化学和光电性能，并通过高重复性实现这一点。这需要使用廉价的合成方法和前驱体，在保持实验室规模的量子点性质基础上，将其推向市场应用。此外，还需要更好地理解量子点的表面、原子排列和亚稳态性质，以推动进一步的发展。从监管的角度看，需要额外关注一些不依赖重金属(如镉、铅和汞)的高质量材料。从材料和光物理的角度看，在理解和利用高度限域材料中的电子特性方面仍存在着许多机会，这将填补外延量子点和仍在发展中胶体量子点之间的差距。尽管后者的质量尚不完美，但实现其大规模制备仍然是一个核心挑战，必须加以解决，以进一步提高器件的性能。从设备的角度来看，胶体量子点制造必须从实验室规模发展到大面积应用，如辊对辊制备和喷墨打印技术。光催化是量子点应用的一个新兴热门领域，其利用光驱动化学转化。此外，量子信息技术也依赖于光和电子的传输，给利用量子限域效应带来了新的挑战和机遇。展望未来，许多基于QD的器件有着很大的发挥空间。
通讯作者介绍
Edward H. Sargent，教授，多伦多大学副校长，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大科技部纳米分部主席，InVisage Technologies创始人，Xagenic共同创始人，AAAS会士，IEEE会士，ACS Photonics副主编。Edward H. Sargent教授是材料学和光子学领域世界著名科学家，他的著作《The Dance of Molecules：How Nanotechnology is Changing Our Lives》于2005年由Penguin出版，目前已被翻译成法文、西班牙文、意大利文、韩文和阿拉伯文。因其在可溶液相处理的半导体太阳能电池和光探测器研究中所做出的杰出贡献，当选Fellow of the AAAS；因其在胶体量子点光电子器件研究中所做出的贡献，当选Fellow of the IEEE；因其在量子限域材料制备全光谱太阳能电池和超灵敏光探测器研究中所做出的贡献，当选加拿大工程院院士。他在Nature和Science等国际顶级期刊发表论文多篇，目前已获引用超37000次，其中有超过100篇的论文引用次数超过100次。
文献来源
F. Pelayo García de Arquer, Dmitri V. Talapin, Victor I. Klimov, Yasuhiko Arakawa, Manfred Bayer, Edward H. Sargent, Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges. Science. 2021, DOI: 10.1126/science.aaz8541.
文献链接：https://doi.org/10.1126/science.aaz8541
文章来源于邃瞳科学云 ，作者小瞳
