破解密码：研究人员为量子点开辟了“新合成前沿”

Josiah02 · 发表于 2024-10-28 23:49:31

被称为量子点的半导体纳米晶体不仅拓展了纯科学的前沿，而且在激光器、量子 QLED 电视和显示器、太阳能电池、医疗设备和其他电子产品等实际应用领域也发挥着重要作用。
本周《科学》杂志发表的一种生长这些微观晶体的新技术，不仅找到了一种构建有用量子点的更有效的新方法，而且还为未来研究人员的探索开辟了一系列新型化学材料。
“我很高兴看到世界各地的研究人员如何利用这项技术来制备以前难以想象的纳米晶体，”第一作者、芝加哥大学 Talapin 实验室前博士后研究员贾斯汀·翁德里 (Justin Ondry) 说。
该团队由来自芝加哥大学、加州大学伯克利分校、西北大学、科罗拉多大学博尔德分校和阿贡国家实验室的研究人员组成，他们通过用熔盐（实际上是撒在烤土豆上的过热氯化钠）代替通常用于制造纳米晶体的有机溶剂，取得了这些显著的成果。
“在你的想象中，氯化钠不是液体，但假设你把它加热到如此高的温度，它就会变成液体。它看起来像液体。它的粘度与水相似。它是无色的。唯一的问题是，没有人考虑过将这些液体作为胶体合成的介质，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (UChicago PME) 和化学系的 Dmitri Talapin 教授说。
为什么是盐？
量子点是较为著名的纳米晶体之一，不仅因为其广泛的商业用途，还因为最近发现它们的团队获得了2023 年诺贝尔化学奖。
加州大学伯克利分校教授、论文共同作者埃兰·拉巴尼 (Eran Rabani) 表示：“如果纳米领域中存在一种在应用方面对社会产生过影响的材料，那就是量子点。”
然而，拉巴尼表示，包括诺贝尔奖得主在内的许多量子点研究都是围绕使用元素周期表第二族和第六族元素组合生长的量子点展开的。这些被称为“II-VI”（二六）材料。
在元素周期表的其他地方还可以找到更有前景的量子点材料。
元素周期表第三和第五族（III-V 族材料）中的材料用于最高效的太阳能电池、最亮的 LED、最强大的半导体激光器和速度最快的电子设备。它们有可能制成出色的量子点，但除少数例外，不可能用它们在溶液中生长纳米晶体。制造这些材料所需的温度对于任何已知的有机溶剂来说都太高了。
熔盐可以承受高温，使得这些以前无法获得的材料变得可用。
“Talapin 教授的研究小组首次在熔盐合成方面取得了显著进展，而此前胶体合成技术无法实现许多材料，”共同作者、阿贡国家实验室和西北大学联合任职的 Richard D. Schaller 说道。“现在可以利用许多新材料取得基础和应用方面的进展，同时，现在为业界开辟了一个全新的合成前沿。”
量子时代
芝加哥大学研究生、新论文的第二作者周一睿表示，合成纳米晶体的研究人员忽视熔盐的原因之一是其强极性。
盐的正离子和负离子之间有很强的吸引力。纳米晶体等小物质的表面电荷很小，因此研究人员认为，当盐离子被拉近时，电荷太弱，无法将盐离子推回。任何正在生长的晶体在形成稳定材料之前就会被压碎。
之前的研究人员至少是这么认为的。
周说：“这是一个令人惊讶的观察结果。这与科学家对这些系统的传统看法非常矛盾。”
新技术可能意味着更好、更快的量子和经典计算机的新构建模块，但对于研究团队的许多成员来说，真正令人兴奋的部分是开辟新的研究材料。
“人类历史上的许多时代都是由人类当时可用的材料定义的——比如‘青铜时代’或‘铁器时代’，”Ondry 说。“在这项研究中，我们解锁了合成近十几种新型纳米晶体组合物的能力，这将为未来的技术提供助力。”

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