量子点以及其应用

2023年诺贝尔化学奖，颁授予Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus以及Alexei I. Ekimov，表彰他们在1980年代发现和合成量子点（for the discovery and synthesis of quantum dots）。 
 
大概念来说，量子点是人工制造的「原子」（artificial atom）。 
 
20世纪迄今，人类文明发展大幅度的依赖于电磁学，包括它所涵盖的电荷、磁、自旋、电磁波等诸种现象。对于用于承载、操控这些现象的物质，我们对其了解的基础知识是量子力学以及电磁学。

人类对于这些性质的应用，大都是顺从自然的安排。譬如矽的带隙能量（energy gap）为1.12 eV，集成电路的栅极电压就设为比这数值稍高，用以开关晶体管。又譬如DUV雷射光源的氟化氩（ArF；Argon Fluoride）分子的能阶间隙是6.42 eV，所以ArF DUV曝光机对应的波长就是193纳米。

换句话说，人类虽然开始掌握关于物质的部分知识，但是对于这些知识的应用，人类过去大致上是听从自然的安排，至少在那些物质的特性参数是如此的。
 
如果我们想「设计」物质的基础特性呢？譬如它的光、电荷、自旋等性质时呢？

我们用以建构的基础单元—也就是类似乐高的积木块—仍旧是自然的原子及其形成的分子，只不过这次要使用基础单元数目要多得多，1个量子点可能要使用100~10,000个原分子来建构，这样制造出来的量子点大小直径在数纳米至100纳米之间。我们的付出的代价是较复杂的制作程序，以及较为庞大的单元尺寸；收益是可控、可设计的量子点的光、电、自旋等特性。这些特性可以藉由量子点的大小、组成材料、形状等来调整其内部能阶，而能阶正是物质的量子特性之一，是以名之。 可以设计出人工原子，自然也可以设计出人工分子、乃至于超晶格（superlattice）等更大尺度的结构。
 
量子点的制作材料过去以II-IV族、III-V族为主，譬如硫化铅（PbS）、硒化铅（SePb）、硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、碲化镉（CdTe）、砷化铟（InAs）、磷化铟（InP）等。 
 
但是II-IV族量子点多含重金属，譬如镉与铅，对环境相当不友善，所以显示器中的量子点目前正转向III-V族的量子点，譬如磷化铟（InP）、硫化铜铟（CuInS）等。而III-V族量子点如当成生物中的体内（in vivo）当传感器或成像使用，可能有毒性或致癌，因此目前正寻找其他材质如矽、碳等，或者加以表面修饰（surface modification）以制作安全的量子点。 
 
量子点的应用非常广泛，包括显示器、单电子晶体管（SET；Single Electron Transistor）、太阳能电池（solar cell）、LED、雷射、单光子光源（single-photon sources）、二次谐波生成（second-harmonics generation）、量子点量子位元（quantum dot qubits）、生医研究里的传感器及成像（imaging）等。 
 
量子点显示器已经商业量产，制造方法与LCD差不多，只不过LCD中用来当背光（backlit）白光LED改为蓝光的量子点。制作流程先是在基板上以有机金属化学气相沈积法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD）制作蓝光量子点，于这层之上制造并排的绿光量子点及红光量子点当彩色滤光片，另外留一处空缺透蓝光，形成RGB三原色像素。 
 
量子点显示器有深黑色（deep blacks）、最佳视角（optimal viewing angle）、原始色彩（pristine colors），较省电、高色彩饱和度（saturation）、较宽色域（wider color gamut），寿命亦较长。目前市场上的竞争对手是OLED，但是未来分辨率再走向8k以后，暂时没有能涵盖如此广泛色域的对手。 
 
量子点的2个前瞻性应用，分别是生物医疗研究与量子计算。 
 
量子点于生物中可以用于成像、标记（label）、运送（delivery）、传感等功能。量子点具有明亮且稳定的萤光，而且可以调整其颜色，还可以附加功能基以锁定特殊标靶。由于其尺寸仅数纳米，不仅微米级的动物细胞可以轻易解析，连尺度与其相当的蛋白质也可以用量子点来标记研究。 
 
一个有趣的应用领域是用来研究脑细胞及功能，这个研究领域又终将回馈到人工智能（AI）、类神经芯片（neuromorphic chips）、脑机界面等竞争激烈的尖端科技新领域。 
 
只是如前所述，量子点于体内毒性的问题需要先澄清并克服。 
 
量子点量子位元是被寄予厚望的量子计算技术，因为它不只是半导体兼容的技术—它本身就是半导体技术。如果原型开发成功，它可以立即利用目前成熟的半导体生产体系快速投入量产。 
 
目前的量子点量子位元是自旋量子元（spin qubit），即量子点中约束1个电子，而且这个电子的自旋的状态可以被操控、测量，当成量子位元使用。 
 
量子点量子位元的技术发展面临的主要挑战，是量子点量子位元之间不易形成量子纠缠，目前可以相互纠缠的量子点量子位元数一只手数得完。不容易被环境干扰的量子位元，也意味着不容易与周遭的量子位元形成量子纠缠。这是典型的工程问题—权衡两难以最佳化。
 
量子点此次获得诺贝尔化学奖实至而名归。它发现人工原子，使得人类拥有更进一步操控微观世界的能力，它对文明及经济的贡献已经开展在照明及显示器上，而它又可以成为促成其他领域新发现的工具，这些都是典型得奖作品的印记。