2023年诺贝尔化学奖炫彩量子点摘桂冠

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今年,MIT的Moungi G. Bawendi、哥伦比亚大学的Louis E. Brus,以及纳米晶体科技公司Alexey I. Ekimov共同拿下大奖。以表彰他们在「量子点的发现和合成」。

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发现合成「量子点」

量子点,别名为半导体纳米晶,由成千上万的原子构成的尺寸一般小于20纳米的半导体晶体颗粒。

大会现场,瑞典皇家科学院秘书长Hans Ellegren展示了,5个装有量子点发光材料的容量瓶。

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量子点是一个晶体,进入纳米层级之后,因半导体纳米晶体内部重复的单元的数目有限,使得半导体材料的电子结构发生了很大的变化。

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Brus和Ekimov以及其他研究人员是这样阐述这个现象的:量子点的电子结构由本体材料的连续能带变为分立的能级,带间隙随着晶体尺寸的缩小而慢慢扩大。而且,由于量子点尺寸通常小于激子波尔半径,激光产生的激子被束缚在每颗量子点中,从而实现了高效率的辐射复合。他们将这个现象称为:量子限域效应(quantum confinement effect)。

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关于半导体量子点的研究可以追溯到40年前,前苏联和美国的两组研究人员在玻璃和胶体溶液中分别展开了各自的研究。前苏联科学家Alexey I Ekimov针对半导体参照玻璃展开了研究,发现了对于参杂在玻璃中的纳米半导体晶体,不同大小的晶体会导致吸收边的移动,从而产生了不同颜色的掺杂玻璃。

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而几乎与此同时,在美国贝尔实验室工作的哥伦比亚大学教授Luois Brus在研究II-VI族半导体纳米晶的胶体溶液时,偶然发现了尺寸变化能够产生颜色变化。由于处于冷战时期,美苏的科学研究交流已经被切断了。Brus教授并不了解Ekimov研究团队的工作成果。Brus教授注意到了外延生长半导体超晶格的一维限域效应。在此基础上,Brus推导出量子点第一激子激发态能量与材料禁带宽度、纳米晶粒径、电子空穴有效质量的关系。

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由于二人的科学洞察力,量子点大小相关的理论模型就这样初步有了雏形。而量子点的合成,得益于Brus教授之后在贝尔实验室的进一步研究工作。1986年,Louis Brus和当时的助手Paul Alivisatos和Michal Steierwald开始了胶体量子点的金属有机化学合成。

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1988年Moungi Bawendi教授也加入到团队中来。后来,Paul Alivisatos和Moungi Bawendi分别成为独立PI,加入加州大学伯克利分校和麻省理工学院,发起了或许是量子点研究领域最著名的两个课题组。在1990到1993年之间,一种 「金属有机-配位溶剂-高温」合成路线被提出,成为了量子点合成化学的突破。这个方法发明于Bell实验室,成熟于Moungi Bawendi在MIT的课题组。它以二甲基镉作为镉源,在高温(300摄氏度左右)、有机配位溶剂中合成高质量的硒化镉量子点。该方法对于整个量子点领域的研究都具有里程碑式意义。Moungi Bawendi也因此分享了诺贝尔奖。

量子点应用

量子点因为其高效稳定的发光特性,是一种经典的荧光标记材料。它在生物检测和医学成像领域获得了广泛的应用,从而推动了成像和检测技术的发展。

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另一方面,量子点具有窄发射和发光色彩可调的特性,使其成为显示领域的新一代发光材料体系。其中,最具代表性的一项应用是:将量子点优秀的光致发光性能和另一项诺奖成果——GaN基蓝光LED的进行结合,实现量子点色彩增强液晶显示技术。

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除了已经进行了商业化落地的量子点液晶显示外,量子点在未来显示、光源技术和新能源等领域都有巨大的应用潜力。

3位诺奖得主


接下来,具体介绍下今年诺奖获得者。

Moungi G. Bawendi

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Moungi G. Bawendi教授1961年3月出生于法国巴黎,是突尼斯裔法国化学家。他出生于一个科学世家,父亲是著名的数学家Mohammed Salah Baouendi。

他在1982年拿到了哈佛学士学位,1988年博士毕业于芝加哥大学。博士毕业之后,经过在贝尔实验室两年的博后阶段训练就入职于MIT。

1995年成为副教授,1996年成为正教授至今,目前为MIT化学系Lester Wolfe教授。

1993年,Bawendi带着2位博士生首次合成出高质量的「量子点」,从而推动了该领域的发展,论文被引超1万。

Bawendi教授2002年成为美国科学促进会会士、2004年成为美国人文与科学学院院士、2007年成为美国国家科学院院士。

Louis E. Brus

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Louis E. Brus是美国著名的化学家,1943年出生于俄亥俄州。

1969年,他获得了哥伦比亚大学博士学位,现任美国纽约哥伦比亚大学教授。

另外,他在1998年当选为美国艺术与科学院院士,2004年当选为美国国家科学院院士,并且是挪威科学与文学学院的成员。

Alexei Ekimov

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Alexei Ekimov是俄罗斯固态物理学家,在瓦维洛夫国立光学研究所工作时发现了被称为量子点的半导体纳米晶体。

他曾任Nanocrystals科技公司的首席科学家。

因在半导体电子自旋取向方面的工作,获得1975年苏联国家科学与工程奖。

他是2006年美国光学学会RW Wood 奖的共同获得者,以表彰「纳米晶体量子点的发现及其电子和光学特性的开创性研究」。


参考资料:
https://twitter.com/NobelPrize/status/1709505833418063892

标签: nobel

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