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title: 【2023 年諾貝爾化學獎】為世界之光、為世界之光的量子點技術
tags: [科科小文]

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# 【2023 年諾貝爾化學獎】為世界之光、為世界之光的量子點技術
###### tags: `科科小文`
今年的諾貝爾化學獎已經公佈。今年在頒獎前有個小插曲：瑞典媒體 Dagens Nyheter 在頒獎前公布一封瑞典皇家科學院的電子郵件副本，指稱2023年諾貝爾化學獎得主為發展量子點技術與量子的 Moungi G. Bawendi、Louise E. Brus 與 Alexei I. Ekimov。
雖然瑞典皇家科學院很快出來澄清當時還沒決定人選，不過在稍晚的頒獎典禮，就把諾貝爾化學獎頒給這三位。

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![](https://hackmd.io/_uploads/BJQ-X-jeT.png =90%x)
諾貝爾獎官方網站為本次化學獎主題繪製的漫畫圖，呈現出量子點大小與激發光顏色間的關係

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量子點（quantum dot）是一類半導體的奈米粒子，大小通常在 10–50 奈米之間，最大不超過 100 奈米，最小可以到 2–10 奈米。市面上這些量子點螢幕、量子點LED（QLED），就是利用不同大小的量子點受到藍／紫外光照射時，能夠發出不同顏色的光。量子點 LED 可以發出接近連續的光譜，且演色性高，可以滿足需要高演色光源、廣發色色域，或者重視健康的使用者。

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![](https://www.pnas.org/cms/10.1073/pnas.1601852113/asset/49eda35e-b183-41a7-a9ed-8fefcec1f9ee/assets/graphic/pnas.1601852113fig01.jpeg)
透過調整量子點的大小，就可以讓它們發出不同顏色的激發光，且色域相當廣。圖片取自 [PNAS](https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1601852113)。

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三位得獎者中，Ekimov 在 1980 年代進行有色玻璃的製造研究，透過摻雜不同大小硫化鎘或氯化亞銅粒子到玻璃中，發現可以製造出不同的顏色。理論上，加入相同的雜質應該會讓玻璃呈現銅一個色系的顏色；但事實上，就算混入了同一種雜質到玻璃中，也會讓玻璃產生不同的顏色。Ekimov 近一步發現，就是這些大小不同的半導體分子晶體，產生了量子效應而影響玻璃的顏色[^3][^4]。
隨後，Brus 研究了硫化鎘膠體溶液的特性，發現不同大小的硫化鎘膠體，吸收光子之後的能量也不同，因而發展出了膠狀量子點（colloidal quantum dot）[^1]，也證明在量子點在液體中仍然因大小不同而產生不同的量子效應。
最後，Bawendi 團隊開發出了在有機溶液中合成硫、硒、碲化鎘量子點的方法，且合成出的量子點粒徑一致（即測得溶液中的粒子有單分散 monodisperse 特性）[^2]。Bawendi 團隊開發出的量子點合成過程簡單，且可大量生產，直接讓產業可以在有機溶劑中，合成許多半導體材料不同大小的量子點，就此展開了量子點在相關產業的大量應用。

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![](https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/bawendi_brus_ekimov-3_2-992x656.jpg =75%x)
三位得獎者的肖像畫，取自諾貝爾獎官網。
    
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為什麼叫做量子點？由上面的描述可以得知，材料中的量子點大小在 100 奈米以下，此時分子內部的電子，在各個方向的運動都受到侷限；如果電子在材料中的費米波長（Fermi wavelength）小於量子點的大小，就會形成類似原子的不連續電子能階結構。一般而言，半導體材料的電子費米波長比金屬（導體）還長，所以目前的量子點多為半導體材料。
<font color="#ababab">寫到這裡要來點 murmur: 從「半導體材料」來看，可以發現 Ekimov 當初使用的 CdS 與 CuCl 都是半導體材料。不要因為 CuCl 和 CuCl~2~ 的英文一樣，就都叫做氯化銅；人家當初用的是**氯化亞銅**啦。</font>

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![](https://hackmd.io/_uploads/B1oTr6qe6.png =75%x)
Ekimov 發現量子點的論文截圖。可以看到好像原子一樣的能階與吸收光譜。

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量子點的發現，讓我們了解材料中奈米顆粒的大小可以左右整體性質，因此只要能夠設計與製造出符合需求的量子點，就可以讓材料展現出期望的光電特性。
由於量子點的穩定性高，而且不同大小的量子點，可以受單一光源激發，而放射出不同波長的光；加上放射光的波形狹窄且對稱，未來除了已經應用於我們生活中的照明與顯示等技術，還可以應用在螢光標籤、感測元件、檢測試劑、量子計算、太陽能染料敏化電池等領域。例如 2004 年由單層奈米碳管製成的碳量子點[^6]，因為生物相容性高且對環境危害甚低，已經被用來做為生物影像與藥物動力學追蹤試劑[^7][^8]。

有了 Ekimov 的發現，以及 Brus 與 Bawendi 後續的合成研究，使得量子點的設計與量產成為可行，因此改變了半導體業，也讓我們的照明與顯示影像世界更加艷麗多彩，真的為世界之光。

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![](https://i0.wp.com/www.compoundchem.com/wp-content/uploads/2023/10/2023-Nobel-Prize-in-Chemistry.png)
[Compound Interest](https://www.compoundchem.com/) 網站為本年度諾貝爾化學獎製作的資訊繪圖。
    
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<span style="font-size:30px">🍵</span>

### 延伸閱讀
1. [高瞻自然科學教學資源平台對於量子點的介紹](https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=46529)
2. [不依靠多色 LED，不同直徑的量子點給你精準的顏色](https://www.techbang.com/posts/17120-do-not-depend-on-the-multicolor-led-quantum-dots-of-different-diameters-to-give-you-accurate-color)
3. [清大化學系研發的綠色化學方法：碳量子點也可以從回收的廢切削油純化後合成](https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=29ba3d2d-d54d-4307-b553-743446d7267f)
4. [除了大小之外，半導體的形狀也會影響材料特性](https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=f7293e7a-2b6c-4981-a4dc-61c4dcbfb943)
5. [染料敏化太陽能電池的「染料」可為量子點](https://ejournal.stpi.narl.org.tw/sd/download?source=10812-06.pdf&vlId=81c00b94ab824d3f8bae19957ea839e0&nd=1&ds=1)
6. [國家實驗研究院對量子點應用於癌症腫瘤研究的介紹](https://ejournal.stpi.narl.org.tw/sd/download?source=9702/9702-08.pdf&vlId=91A2EDDE-F1B7-444C-BB9E-FA8FCAF84269&nd=0&ds=0)

[^1]: Rossetti, R., Nakahara, S., & Brus, L. E. (1983). Quantum size effects in the redox potentials, resonance Raman spectra, and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solution. The Journal of Chemical Physics, 79(2), 1086-1088.
[^2]: Murray, C., Norris, D. J., & Bawendi, M. G. (1993). Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E= sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites. Journal of the American Chemical Society, 115(19), 8706-8715.
[^3]: Ekimov, A. I., & Onushchenko, A. A. (1982). Quantum size effect in the optical-spectra of semiconductor micro-crystals. Sov. Phys. Semicond, 16(7), 775-778.
[^4]: Екимов, А. И., & Онущенко, А. А. (1981). Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников. Письма в ЖЭТФ, 34(6), 363-366.
[^5]: Reed, M. A., Bate, R. T., Bradshaw, K., Duncan, W. M., Frensley, W. R., Lee, J. W., & Shih, H. D. (1986). Spatial quantization in GaAs–AlGaAs multiple quantum dots. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics Processing and Phenomena, 4(1), 358-360.
[^6]: Xu, X., Ray, R., Gu, Y., Ploehn, H. J., Gearheart, L., Raker, K., & Scrivens, W. A. (2004). Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments. Journal of the American Chemical Society, 126(40), 12736-12737.
[^7]: Kilic, N. I. (2021). Graphene Quantum Dots as Fluorescent and Passivation Agents for Multimodal Bioimaging.
[^8]: Lim, S. Y., Shen, W., & Gao, Z. (2015). Carbon quantum dots and their applications. Chemical Society Reviews, 44(1), 362-381.

