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合成单分散量子点:激光把半导体材料“敲成”纳米大小

2013-08-21 09:44
月城清浅
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  ——四年前实验室人员的一次“失误”,带来了在国际上具有突破性影响的新发现。四年来,天津大学科研人员不断进行科研攻关并“开花结果”。近日,天津大学材料学院量子点材料与器件研究组开发出环保高效的单分散量子点合成新工艺,成果发表在国际顶级科学期刊Nature Communications(自然通信)上,这是世界上首次报道物理方法合成单分散量子点。这项世界首创的新工艺将在太阳能电池、癌症检测等领域发光发热。

  传统工艺最多粉碎到微米

  天津大学材料学院杜希文教授向记者阐述了研究意义,当半导体材料直径在几纳米大小时,它可表现出许多独特的物理性质。如大家熟知的硅,正常体积下将太阳能转换电能的最高效率为33%,但是当硅的体积为4纳米左右时,它把太阳能转换为电能的效率可以提高到66%。有的材料则能发出红、蓝、绿等不同颜色的光,在肿瘤的抗体药物上携带纳米级别的发光材料,可以非常准确地标记出肿瘤的位置,为医生判断病情、寻找病灶提供帮助。正是因为这些量子点(又称为半导体纳米晶)具备这样神奇的能力,因此量子点目前是各国科研人员研发的热点。

  但是,传统机械工艺最多能将半导体材料粉碎到微米的程度,体积是纳米级别的上千倍,因而要获得纳米大小的半导体材料并不容易。过去一直通过湿化学方法,利用集中化学物品之间的反应,制得量子点材料。但是这样的方法耗时长,少则几个小时多则几天的时间,还会产生大量的污染物,对环境造成了沉重的负担。

  激光把材料“敲成”纳米大小

  但是在四年前,杜教授实验室的一个学生做用激光将金属靶打碎成纳米级别的金属粒实验时,一般只需要用激光照射金属靶3分钟左右。但学生中途离开,任激光照射金属靶4个多小时。回来后发现,金属靶被打成了尺寸都为几纳米左右的金属粒子,这样的结果比以前要理想多了。这一阴差阳错导致的意外,反而引起了杜教授实验团队的浓厚兴趣。他们转而把这一“奇怪”现象作为一项研究重点,探索如何利用激光把半导体材料“敲成”纳米大小的均匀颗粒。

  最终历时四年,在这一领域探索出了合成单分散量子点的物理方法。利用激光这把“锤子”,杜教授可以根据实际需要“变化”力度,精确控制半导体材料的具体大小。相比湿化学获取量子点,这种世界首创的方法耗时短,一次仅需20多分钟,另外环保无污染,且获得的量子点大小更均匀,表面没有化学药物,非常干净。杜教授说,预计未来这一清洁技术可以帮助获得更加廉价的量子点,使其在疾病诊断、水污染检测、光电转换等领域发挥更加显著的作用。该成果一经发表便引起了业界关注,已有单位与学校寻求合作,希望能将该技术产业化。

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