2023年诺贝尔化学奖颁给了蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)、阿列克谢·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov),以表彰他们在量子点的发现和发展方面的贡献。
诺贝尔化学奖为啥颁给了物理学?量子点究竟是个啥?
诺贝尔:100年后还有诺贝尔化学奖吗?
诺贝尔化学奖委员会:祖师!没有了,只有诺贝尔理综奖。
一直以来,诺贝尔化学奖都有理综奖的别称,常常颁发给生命科学领域。
今年却显得更加的偏门,颁给了物理学领域(虽然曾经也抢过,但大多还是被生命科学抢去了)。
虽然诺贝尔奖委员会搬出了化学性质的经典定义:元素的性质取决于它拥有的电子数量。
然而,蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)、阿列克谢·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov)三人,之所以获奖的量子点——其核心却是量子效应。
而且和昨天的诺贝尔物理学奖阿秒物理学一样,都涉及到和电子相关的量子力学效应。
要知道这个量子点是什么,我们还需要了解一些铺垫性知识:
我们知道,阳光照射物质会呈现出不同的颜色。
产生不同颜色的原理,有多种,例如:
1、色散:阳光不同成分折射率不同,遇到三棱镜等特殊构造的玻璃,会出现色散现象。
2、反射/透射:材料吸收了一定颜色的光,表现出剩余光的颜色。例如叶绿体的绿色。
3、激发:材料的电子吸收能量,然后释放能量,激发出光子。根据能量的来源,又可以分成电致发光、光致发光、声致发光等等。
例如,LED灯是电致发光;日光灯则是光致发光。灯管内气体放电产生紫外线,然后激发管壁上的发光粉而发出白光;而螳螂虾一拳打出2万℃并发光,便是声致发光。
很多发光材料,同时包含多种激发发光过程。但无论是哪一种发光形式,都涉及到电子吸收能量,轨道跃迁、轨道跌落,然后以光子的形式释放能量。
如果现在给你一个自由创造大量颜色的任务,你会选择以上哪几种?
很明显,第1种和第2种都需要直接PASS,无论怎么对光进行色散/吸收/反射,分离的也是现成的光,而不能创造光。
只有第3种才能自由创造各种颜色的光。
而三位科学家创造的量子点,正是这种材料,利用接近第3种的原理,创造出了丰富多彩的颜色。
要理解量子点的原理,这里又还需要铺垫一点半导体相关的知识:
量子点本质上就是一种纳米级电子半导体材料,是通过电子与空穴复合来释放能量发光的。
电子空穴是什么?
为了方便理解,这里先用半导体二极管原理来解释。
碳、硅、锗、锡、铅等IV族元素,最外层具有4个价电子,它们很容易形成稳定的共价键结构,所以不容易导电。但如果加入不同的杂质便可能改变它们的导电能力。
拿硅来举例,如果向硅晶体加入硼杂质,那么当硼与硅形成共价键后,便会少一个电子,从而出现“空穴”。这样的半导体很容易获得电子,因此被称为P型半导体(P为Positive缩写,为正极)。
相反,如果向硅晶体加入磷杂质,那么磷最外层的5个电子与硅形成共价键后,就会多出一颗电子,从而容易失去电子,因此被成为N型半导体(N为Negative缩写,为负极)。
如果把P型半导体和N型半导体结合在一起(简称PN结),那么电子就会从N向P扩散。
如果通上相同方向的电源,那么就会形成电流。如果通电方向相反,则不会导电。
显而易见,pn结和电子二极管一样,都具有单向导电性。
LED灯的光,则是通过电子与空穴复合,而产生的电致发光。
这个过程,虽然从原子层面来说,电子已经从一个原子跑到了另外一个原子上,然而不同的电子性质是一样,一个电子获得能量离开空穴时,相当于一个跃迁过程。而进入另外一个空穴,本质上相当于跌落轨道的过程,因此多余的能量会以光子的形式得到释放。
而量子点发光的时候,本质上是创造了纳米级的“PN结”,来达到电子-空穴复合发光的过程。
当然,这里的“PN结”并不叫PN结,而是叫做电子—空穴对。
a-光致发光;b-电致发光
对于光致发光的量子点来说,光激发的同时就会产生电子-空穴对。
电致发光的量子点,则依赖电子-空穴对的传输和注入(更加接近于纳米级的LED灯)。
一般通过外部电极、掺杂、应变、杂质等多种形式来产生电子-空穴对。
对比昨天的物理学诺贝尔奖,我们可以发现,量子点和阿秒物理学相似之处还真是不少。都是从宏观到微观,最终达到电子层面。
既然“电子-空穴对”导致的发光,和原子发光都是相似的量子效应,这就决定了它存在一个尺度上限。
1980年,阿列克谢·伊基莫夫(获奖第三位),成功在有色玻璃中创造出了,能通过量子效应影响玻璃颜色的氯化铜纳米颗粒[1]。
本质上,他是创造出了最早的量子点。
1983年[2],路易斯·E·布鲁斯(获奖第二位)则首次证明了,量子点的量子效应是存在尺度上限的,而且,激发出来的光波长,随着量子点尺度大小的变化而变化,这背后的原理涉及到量子限域效应(当粒子的尺寸达到纳米量级时,费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级)。
一般来说,量子点往往2~20nm大小,拥有1~100个电子-空穴对,最多拥有数千个原子。
1993年,蒙吉·G·巴文迪(获奖的第一位)则是通过改进化学生产方法,制作出了几近完美的量子点[3]。
这个方法本质上是一种晶体生长方法(或化学溶液生长法):
虽然合成用了化学方法,但21世纪之后,还发展出了其它非化学的合成方法。虽然量子点的发现,最开始是胶状溶液中,但后来与传统化学越来越远。
简单来说,就是把能形成硒化镉(或硫化镉、碲化镉)的物质(硫、硒、碲的三正辛基氧膦溶液+二甲基镉)注射进入200~300℃的热溶剂中,生成硒化镉(或硫化镉、碲化镉)。
一直注射到针头周围溶剂饱和,从而产生硒化镉小晶体。
随着溶剂冷却,晶体就会停止生长。
这个时候,再次加热,晶体就会持续增长,而且加热时间越长晶体就越大。因为量子限域效应,不同大小的晶体,可以产生不同颜色的光。
通过自由控制,便可以覆盖从蓝到红的所有可见光。
量子点一般由IV、II-VI,IV-VI、III-V等元素组成,例如硅、锗、硫化镉、硒化镉、碲化镉、硒化锌、硫化铅、硒化铅、磷化铟、砷化铟等等,大体上还是半导体材料。
巧合的是,半导体产业中的PN结制造方法,也有晶体生长技术。可以看出量子点和半导体二极管的确很有相似之处,很像一个纳米二极管。通过量子点来制造芯片,其实也是量子芯片的一个发展方向之一。
随着工艺越来越复杂,量子点可涉及到电致发光、光致发光、声致发光等多种发光方法。
最早广泛性利用量子点的其实是生物学领域。
1997年开始,质量越来越高的量子点开始作为生物探针来使用,例如生物荧光标记可直接用于活体细胞。不仅在21世纪,助力分子、细胞生物学迅猛发展,还掀起了量子点研究热潮。
量子点具有自由可控、稳定性高、兼具宽窄发射谱、较大斯托克斯位移、生物相容性好、寿命长等各种优点。时至今日,已经广泛应用于各种材料领域,尤其是量子点显示技术(QLED)在电视和电脑色彩显示上的飞速发展。
总的来说,无论在生命科学研究、光学(显示/色彩)运用,还是在未来芯片研发领域,量子点都具有广阔的前景。
蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)、阿列克谢·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov)三人的贡献,正在改变我们的现在和未来。
他们获得诺奖,实至名归。
参考^Ekimov A I. Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystals[J]. Jetp Lett., 1981, 34: 345.
^Brus L E. Electron–electron and electron‐hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state[J]. The Journal of chemical physics, 1984, 80(9): 4403-4409.
^Murray C B, Norris D J, Bawendi M G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E= sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites[J]. Journal of the American Chemical Society, 1993, 115(19): 8706-8715.
没有新的理论提出,都在吃老本,只剩下技术竞技。现在的科学界都流行啃老。好歹提个新理论啊,比如解释一下时间的本质是什么,然后我们可以用电来控制时间快慢,生产时间机器什么的。[吃瓜][吃瓜][吃瓜]
为科学家点赞,科学创造未来[点赞]
技术有国界,科学无国界[点赞]为科学家点赞!
诺奖落后了,不说铁变金,连纸变钱都做不到,我们可是到达人民币许家印的高社阶段了[点赞][点赞]
不知道评论区有多少和我一样拿着小学文凭点进的
我们光催化的需要抑制电子与空穴的复合[呲牙笑]
写的不错,通俗易懂的解释,循序渐进
化学的范围相比物理太窄了,只有分子层级算化学,原子内部和更宏观的领域都是物理,这样看化学就是核物理一样的物理学分支而已
感谢科普。
化学的尽头是量子物理。
化学反应是反应物的粒子在变化电磁力作用下 分分合合 重新组合 宇宙 地球是一个变化不均匀的电磁场 物体 粒子是电磁物质的聚集体 中子原子是带电的 任何物体任何两点都变化的电参数 带电体之间的力量是变化的电磁力 物体之间不但有引力 还有斥力 只是大小不同 二者相互依存 在一定范围之内相互转换 是电磁力人与人之间 国与国之间 人与环境之间的作用是相互的电磁力 是作用力与反作用力的关系 分为引力和斥力及转换宇宙法则是一杆称 即平衡或是公平 是作用力与反作用力的平衡
经济学奖得主是被西南财大炒鱿鱼的院长,理由是经济理论粗劣[呲牙笑][呲牙笑][呲牙笑]
化学的底层基础,不就是原子电子么,归根结底还是物理
看不懂,但是客户要求的五彩斑斓的黑色有希望了[笑着哭]
纳米二级管,要是应用。7纳米的芯片,应该能实现和6纳米一样的功能。不知道这个比喻对不对。又知道的说下,不要让我乱猜
我们老师说,米磨成面粉是物理变化,煮成饭是化学变化。
这是好文章。[点赞]
一脸糟比
谢谢小编反应快、知识丰富……
当年的数电模电电磁场与电磁感白学了,看不懂这描述了
科技可以放慢脚步,人类疾病几个大病难道就攻克不了了,应该要加大人才研究
很多科学大爆发发生于战争时期,估计好多国家藏着一些未发表的重大科技革命文章
显示屏而已[得瑟][得瑟][鼓掌][鼓掌]
要不明年你来评[笑着哭][笑着哭]
纳米级憋材料而已,本质还是停留在控制电子运动,甚至没有更细微进展。电子分离产生一个对应的“空穴”这个是一个萝卜一个坑必然的,痛“量子纠缠”没任何关系,国人为了炒作量子费尽心思往量子上扣
朋友你好,请不要发pn结的图,我怕[笑着哭]
一百个诺贝尔奖奖金在北京也买不到一套四合院
发展基础科学太重要了
化学本来就是物理学的分支啊。
诺奖,如今已经成为西方的整治工具了