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由专利地图看量子点技术的发展(一)——技术概述

供稿人:杨莺歌  供稿时间:2009-12-23   关键字:专利地图  量子点  
量子点是一种具有强三维量子限制效应的典型低维体系,由于其具有许多奇异的物理特性,自20世纪8O年代至今,已引起了人们的极大兴趣[1-5]。我国《国家中长期科学和技术发展规划》中将量子调控研究作为重大科学研究计划之一。近年来,973等重大研究计划多次为量子点技术相关研究立项。

主要应用

量子点在光电子器件、生物学等技术领域都具有广阔的应用前景。
1 量子点光电子器件
(1)量子点激光器
量子点激光器是量子点光电子器件的最主要应用。自从1982年日本科学家荒川泰彦首次提出量子点激光器概念以来,该领域的研究取得了迅速发展,这一方面得益于它可以借鉴量子阱激光器的成熟工艺与结构设计,另一方面则受益于量子点自组织生长技术的渐趋成熟。
量子点激光器与其他半导体激光器在基本结构上,除使用单层或多层量子点作为有源区,其他并无区别。量子点激光器基本结构如下所示。

图1 量子点激光器基本结构   
            
量子点激光器的研制近年内取得了长足进步,已经向传统半导体激光器提出了强有力的挑战,但其性能与理论预测相比仍有较大的差距。随着量子点激光器研究的深入,其性能将越来越好,由于其高性能、低成本的优点,在光通信以及其他领域必将有广阔的应用前景。
(2) 量子点红外光探测器
中红外和远红外光探测的研究,在远距离传感、热成像、夜视和空间定位等领域具有重要的应用。随着半导体超晶格与量子阱研究的不断深入,量子阱红外探测获得了迅速发展。然而,由于选择跃迁定则的限制,使其不能直接探测垂直入射光,而且在红外区只有较窄的光谱响应。近年,随着半导体量子点物理研究的日渐深入和自组织生长技术的不断进步,一种以量子点作为有源区的新型红外光探测器,正在受到越来越多研究者的广泛关注。虽然量子点红外探测器在结构形式和工作原理上与量子阱红外探测器相类似,但它却有着后者所不可比拟的许多优点,例如对垂直入射光敏感、可以达到更宽的光谱响应、具有较长的电子激发寿命、更低的暗电流、更高的光电导增益和更高的光探测率等。
(3)量子点单光子发射器件
单光子的产生与发射,是目前信息密码、量子计算和量子保密通信研究中所面临的一项关键技术。单光子发射器件与其他发光器件最主要的区别是所发射光子的时间次序不同。普通发光器件发射的光子是聚束的,即在某个很短的时间间隔内发射两个或更多光子的概率非常高,而单量子单元,如单原子、单分子和单量子点等,所发射的光子则是“反聚束”的。人们已尝试了多种产生单光子的技术方案,其中采用量子点作为有源区实现单光子发射是当前关注的焦点。这是因为与其他单光子源相比,量子点单光子源具有大的振子强度和窄的谱线宽度。从原理上讲,固态量子点材料的发光波长,可以覆盖从可见到红外的光波范围,因而使得它在单光子发射器件的制作中具有潜在应用。
2 量子点的生物学应用
1998年随着量子点作为生物探针的生物相容性问题的解决,并首次利用量子点分别成功标记活体纤维细胞和HeLa细胞以来,量子点作为细胞标记的新技术在生物学中的应用引起了国际学术界的高度重视。
近年来,量子点在离体细胞标记、活体细胞成像、细胞结构与受体标记、免疫荧光标记、活体动物荧光显微成像、多组分检测和编码等方面都取得了重大进展。图2统计了2001-2005年间PubMed数据库中以量子点在生物医学领域所发表的学术论文数,不难看出其论文数量逐年呈指数递增。
图2 PubMed数据库中量子点在生物医学领域所发表的学术论文数
 
随着量子点制备技术和高性能量子点的出现,量子点在生物学研究中的重要性和地位已经得到初步展示。如图3所示,量子点在生物成像中的应用主要涉及活体动物标记、离体细胞成像、生物分析阵列、固定细胞成像和生物传感器等五大领域。可以预见,量子点将在生物学研究和应用中具有巨大的应用潜力和开发价值。
 
 
 
 
图3 量子点在生物成像中的应用
 
3 量子保密通讯
光通信中应用量子密码技术需要解决三大关键技术:单光子源技术,量子编码和传输技术,单光子探测技术。
量子点结构的单光子发射光源被认为是最有潜力的一种单光子源。通过电脉冲或者光脉冲激发产生稳定的单光子流,在应用上有显而易见的优越性。目前国际上有多个小组利用此结构进行量子通讯的研究,有Toshiba、Cambridge大学的欧洲联合研究小组,UCSB,Stanford大学,瑞典Lund大学等等。
目前,每个脉冲产生一个光子的器件已经研制成功,存在的问题是如何把产生的光子沿某一特定方向高效率地发射出去。一个可能的办法是通过把量子点嵌入一个微光学腔中来解决。科研人员利用微柱微腔来引导光子,采用这一方法能够使单个光子进入单模行波的效率提高到38%,比不使用微腔高出两个数量级,同时,单个脉冲包含多个光子的几率也减小了7倍。另一个办法是采用固态发射镜技术来提高量子点的发射效率。研究发现光学微柱微腔和光子关在器件结构上镀上折射率为1.83的LaSFN材料,光子的发射效率提高近六倍。
量子点是理想的单光子源,其实用化有很多难题需要科研人员去克服,如尺寸、形状均一性控制、光谱的单色性控制、双激子调制及其发射特性、单光子编码及探测等等,这其中既涉及到有理论性的,也与实验密切相关。国际上对此展开研究的并不多,但都是非常有实力的研究机构,取得的成果也都是引人注目的。这表明技术路线正确而技术难度较大,因此需要较高的投入,而投入是很值得的。这是一个有广阔应用前景而技术可行的发展方向。
 

市场预测

随着量子点的研究不断深入,应用范围不断扩大,量子点市场也在不断增长中。BCC公司于2005年发布报告“Quantum Dots: Technical Status and Market Prospects”[6],对2005-2009年的量子点技术发展和市场做出预测,具体数据如下所示。

图4量子点市场数据――BBC公司

 
报告认为,量子点市场将快速增长,2004年全球量子点市场1000万美元,2009年有望达到5亿美元,年平均增长率超过100%;量子点的应用更加深入,包括电子、光电子、光学、能源和其他很多工业领域;市场和技术进展将会降低量子点价格,从2005年每公斤3000-10000美元降到250美元/公斤。
 
参考文献
[1] X. Michalet, F. F. Pinaud et al., Quantum Dots for Live Cells, in Vivo Imaging, and diagnostics,Science,307(2005)538.
[2] KLOSTRANEC Jesse M.,CHAN Warren C. W., Quantum dots in biological and biomedical research : Recent progress and present challenges,Advanced materials,18(2006)1953.
[3] 谭艳芝,量子点的应用及研究进展,纳米科技2007(4)22-26.
[4] 李鸿梅等,量子点荧光标记应用于生物学的研究进展,国外医学:生物医学工程分册2004(5)281-285.
[5] 陈鹏等,量子点激光器,微纳电子技术2005(7)311-317.
[6] Quantum Dots: Technical Status and Market Prospects, http://www.bccresearch.com/report/treport.php?rcode=NAN027A,发布时间: 2005-9

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