量子點是一種納米級別的半導體，通過對這種納米半導體材料施加一 定的電場或光壓，它們便會發出特定頻率的光，而發出的光的頻率會隨著這種半導體的尺寸的改變而變化，因而通過調節這種納米半導體的尺寸就可以控制其發出的光的顏色，由于這種納米半導體擁有限制電子和電子空穴的特性，這一特性類似于自然界中的原子或分子，因而被稱為量子點。
量子點的制造方法可以大致分為三類：化學溶液生長法，外延生長法，電場約束法。這三類制造方法也分別對應了三種不同種類的量子點。量子點在生物以及化學領域中有極大的應用前景，得益于其特殊的性質：1）量子點的發射光譜可以通過改變量子點的尺寸大小來控制；2）量子點具有很好的光穩定性；3）生物相容性好；4）量子點的熒光壽命長等等。
今天，我們要分享的是關于量子點最新的8篇重要研究進展，內容涉及光電器件領域的應用、太陽能電池領域的應用、CO2光還原領域的應用、以及量子點的合成等等，希望對相關研究人員有所啟發。
1. 晶格錨固可穩定溶液處理的半導體丨Nature
無機銫鉛鹵化物鈣鈦礦具有非常適合串聯太陽能電池的帶隙，但在室溫附近遭受不希望的相變。膠體量子點（CQD）是結構堅固的材料，因其尺寸可調的帶隙而受到重視。然而，它們還需要穩定性的進一步提高，因為它們由于不完全的表面鈍化而易于在高溫下聚集和表面氧化。近日，多倫多大學Edward H. Sargent教授研究團隊報道了“晶格錨定”雜化材料，其將銫鉛鹵化物鈣鈦礦與鉛硫屬元素化物CQD結合，這兩種材料之間的晶格匹配有助于穩定性超過組分的穩定性。
研究發現CQD使鈣鈦礦保持在其所需的立方相中，從而抑制向不希望的晶格失配相的轉變。與原始鈣鈦礦相比，CQD錨固鈣鈦礦在空氣中的穩定性提高了一個數量級，并且材料在環境條件（25攝氏度和約30％濕度）下保持穩定超過六個月且超過五個小時在200攝氏度。與CQD對照相比，鈣鈦礦防止CQD表面的氧化并且在100攝氏度下將納米顆粒的聚集減少了五倍。對于在紅外波長發射的CQD固體，基質保護的CQD顯示出30％的光致發光量子效率。晶格錨定的CQD：鈣鈦礦固體表現出電荷載流子遷移率加倍，這是由于與純CQD固體相比載流子跳躍的能壘減小。這些益處在溶液處理的光電器件中具有潛在用途。
Liu, M. Sargent, E. H. Lattice anchoring stabilizes solution-processedsemiconductors. Nature, 2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1239-7
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1239-7
2. 半導體量子點：一種新興的CO2光還原候選材料丨AM
作為解決能源危機和環境問題最關鍵的方法之一，將CO2光還原為高附加值的化學物質和太陽能燃料(如CO、HCOOH、CH3OH、CH4)引起了廣泛的關注。在自然界中，光合生物利用陽光將CO2和H2O有效地轉化為碳水化合物和氧氣(O2)，這激發了低成本、穩定、高效的CO2光還原人工光催化劑的開發。半導體量子點(QDs)具有成本低、合成簡單、光捕獲性能好、產生多個激子、載流子調控可行、表面位置豐富等優點，近年來被認為是最有希望建立高效人工光系統的材料之一。
近日，中科院物理化學技術研究所Li-Zhu Wu，Xu-Bing Li團隊總結了用半導體量子點進行CO2光還原的最新進展。首先，分析了半導體量子點獨特的光物理和結構特性，這使其在太陽能轉換方面具有廣泛的應用。然后介紹了量子點在光催化CO2還原中的最新應用，主要分為三類:二元II-VI半導體量子點(如CdSe、CdS和ZnSe)、三元I-III-VI半導體量子點(如CuInS2和CuAlS2)和鈣鈦礦型量子點(如CsPbBr3、CH3NH3PbBr3和Cs2AgBiBr6)。最后，討論了量子點在太陽能CO2還原方面的挑戰和前景。
Hao-LinWu, Xu-Bing Li,* Chen-Ho Tung, Li-Zhu Wu*. Semiconductor Quantum Dots: An Emerging Candidate for CO2 Photoreduction. Adv.Mater. 2019,
DOI: 10.1002/adma.201900709
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900709
3. 由低聚金納米顆粒的Fano共振介導的發光碳量子點的可控合成丨AM
在納米光子學和生物光子學領域中，熒光碳量子點(CQDs)的快速可控合成是一項重要的研究。華南師范大學蘭勝教授團隊和鐵紹龍教授團隊合作提出了一種制備在激光或水銀燈的激發下產生高效的白光的CQDs的新方法。
實驗利用飛秒激光脈沖對摻雜了致密金納米粒子(AuNPs)的聚乙烯醇(PVA)膜進行輻照得到了可以發光的CQDs。從PVA生成CQDs是一個由AuNPs介導的兩步過程，其中的AuNPs不僅是熱源，而且也是催化劑。研究利用紅外傅里葉變換光譜和x射線光電子能譜研究了碳-碳雙鍵、碳-碳單鍵和碳氧鍵的形成過程。實驗結果表明，通過共振激發低聚的AuNPs形成的Fano共振可以實現其在深亞波長尺度上的空間局域溫度分布，從而產生直徑較小的CQDs。
YunbaoZheng, Shaolong Tie, Sheng Lan. et al. Controllable Formation of LuminescentCarbon Quantum Dots Mediated by the Fano Resonances Formed in Oligomers of Gold Nanoparticles. Advanced Materials.2019
DOI:10.1002/adma.201901371
https://doi.org/10.1002/adma.201901371
4. CsPbBr3量子點2.0：苯磺酸等效配體完全純化丨AM
鈣鈦礦量子點（Pe-QD）的穩定性和光電子器件性能受到現有配體策略的嚴格限制，因為這些配體表現出高度動態的結合狀態，制約了QD的純化和存儲。
近日，南京理工大學李曉明、曾海波研究團隊開發了“Br-等效”配體策略，其中所提出的強離子磺酸鹽頭，例如苯磺酸，可以牢固地結合暴露的Pb離子以形成穩定的結合狀態，并且還可以有效地消除由溴化物空位引起的激子捕獲的概率。從這兩個方面來看，磺酸鹽頭在完美的鈣鈦礦晶格中起到與天然Br離子相似的作用。使用這種方法，可以容易地實現高光致發光量子產率（PL QY）> 90％，而不需要胺相關配體。此外，制備的PL QYs在8個純化循環，超過5個月的儲存和高通量光照射后得到良好維持。
Yang, D. Li, X. Zeng, H. et al .CsPbBr3Quantum Dots 2.0: Benzenesulfonic Acid Equivalent Ligand Awakens Complete Purification. AM 2019.
DOI;10.1002/adma.201900767
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/ 10.1002/adma.201900767
5. 基于全無機鈣鈦礦量子點的柔性，可印刷軟X射線探測器丨AM
金屬鹵化物鈣鈦礦由于其獨特的光電特性和簡單成本的制造工藝，成為引人注目的光伏和光電探測器應用的最有希望的材料。它們的成分的高原子序數（Z）和顯著更高的載流子遷移率也使得鈣鈦礦半導體適合于檢測電離輻射。近日，莫納什大學Babar Shabbir, Yupeng Zhang,Qiaoliang Bao研究團隊通過利用這一點，在基于全無機鈣鈦礦量子點（QD）的剛性和柔性檢測器中證明了軟X射線誘導的光電流的直接檢測。研究人員利用同步加速器軟X射線束線，在X射線劑量率為0.0172mGyair s-1的情況下實現高達1450μCyair-1cm-2的高靈敏度，僅有0.1 V偏壓，是傳統α-Se器件的70倍靈敏。此外，通過廉價的噴墨印刷方法將鈣鈦礦膜均勻地印刷在各種基板上，證明了多通道檢測器陣列的大規模制造。這些結果表明，鈣鈦礦量子點是檢測軟X射線和大面積平板或柔性板的理想選擇，在多維和不同架構成像技術中具有巨大的應用潛力。
Liu,J. Shabbir, B. Zhang, Y. Bao, Q. et al. Flexible, Printable Soft-X-Ray Detectors Based on All-Inorganic Perovskite Quantum Dots. AM 2019.
DOI:10.1002/adma.201901644
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901644
6. 8.1%！100 cm2 大面積量子點基太陽能電池丨AM
溶液處理的膠體量子點（CQD）是用于實現低成本和高效光電器件的有吸引力的材料。盡管已經實現了令人印象深刻的CQD-太陽能電池性能，但由于CQD墨水的復雜沉積，CQD膜的制造仍局限于實驗室規模的小面積。
近日，韓國科學技術院Yeon Sik Jung、Jin Young Kim通過設計CQD液滴的溶質再分布，成功實現了用于光伏器件的大面積，均勻沉積的硫化鉛（PbS）CQD油墨。實驗和理論證明，CQD液滴的溶質 - 再分布動力學高度依賴于接觸線的運動和溶劑的蒸發動力學。通過降低接觸線的摩擦常數并增加液滴的蒸發速率，研究人員實現了CQD墨水在大面積上的長度和寬度的均勻沉積。通過利用噴涂工藝，在玻璃，氧化銦錫玻璃和聚對苯二甲酸乙二醇酯的各種基底上制造了具有3-7％厚度變化的大面積（高達100 cm2）的CQD膜。此外，用100 cm2 CQD薄膜證明了CQD太陽能電池的可擴展制造，其顯示出8.10％的顯著高效率。
Choi, M.-J. Jung, Y.-S. Kim, J.-Y. etal. Tuning Solute-Redistribution Dynamics for Scalable Fabrication of Colloidal Quantum-Dot Optoelectronics. AM 2019.
DOI:10.1002/adma.201805886
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201805886
7. 電荷分離異質結構的高效鈣鈦礦量子點太陽能電池丨Nat. Commun.
金屬鹵化物鈣鈦礦半導體具有用于光電應用的突出特性，包括但不限于光伏電池。低維和納米結構圖案賦予了可以進一步利用的附加功能。此外，膠體量子點（QD）鈣鈦礦的更寬的陽離子組成可調性和可調的表面配體性質現在實現了前所未有的器件結構，這與由溶劑化分子前體制備的薄膜鈣鈦礦不同。
美國國家可再生能源實驗室Joseph M. Luther團隊采用了鈣鈦礦QD的逐層沉積，證明了整個鈣鈦礦薄膜中具有組成變化的太陽能電池。利用這種能力突然控制組合物以產生內部異質結，促進內部界面處的電荷分離，從而改善光載體收獲。展示了光伏性能如何取決于異質結位置以及每種組分的組成，并且描述了一種可以極大地改善鈣鈦礦QD光伏器件性能的架構。
Highefficiency perovskite quantum dot solar cells with charge separating heterostructure. Nature Communication, 2019
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10856-z
8. 制備穩定的紅外帶隙量子點墨水丨ACS Energy Lett.
膠體量子點（CQD）受益于尺寸調整的帶隙，可用于紅外能量收集材料，并且可以和硅電池進行串聯。然而，在CQD具有足夠大（> 4 nm）的直徑的情況下，使得納米顆粒吸收光遠遠超過硅的帶隙，傳統的配體交換失敗。
有鑒于此，Edward H. Sargent團隊報道了一種策略，其中用作空間位阻控制劑的短鏈羧酸鹽促進小帶隙CQD上的配體交換過程。研究證明，當采用短羧酸鹽時，用鹵化鉛陰離子代替原始封端配體的凈能壘降低。該方法產生更完全的配體交換，從而提高填充密度和單分散性。與先前報道的最佳交換相比，這有助于陷阱狀態密度降低。在激子峰處，實現高效的紅外光子-電子轉換效率的太陽能電池。
Liu,M., Che, F. et al. Controlled Steric Hindrance Enables Efficient Ligand Exchange for Stable, Infrared-Bandgap Quantum Dot Inks. ACS Energy Letters,1225-1230, 2019.
Doi:10.1021/acsenergylett.9b00388.
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00388
