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• 量子點是一種具有「量子侷限效應」的奈米晶體，當尺寸被縮減到數奈米時光電性質會跟著改變，相當於創造一種新材料。
• 平常的半導體材料硒化鎘（CdSe）原先發出不可見的近紅外光，但被製備成數奈米的晶體後便能發出可見光，對顯示器發展具有重要意義。
• 量子點電視、量子電視可以顯示出細緻畫面與色彩，而量子點還能應用於太陽能電池、自駕車與醫療影像感測等諸多領域。

 
量子點（quantum dot）材料的相關研究開始於1980年代末期，今（2023）年諾貝爾化學獎得主⸺巴汶帝（Moungi Bawendi）、布魯斯（Louis Brus）、艾吉莫夫（Alexei Ekimov）在1990年代發表了數篇有關量子點的合成技術與材料性質探討的研究論文，更引領了後續的研究熱潮。不過究竟什麼是量子點？它又有什麼用？

蒙吉．巴汶帝（Moungi Bawendi，1961～）
國籍∣法國
任職單位∣麻省理工學院
研究領域∣奈米晶體、量子點
（Jodi Hilton, Massachusetts Institute of Technology Media）


路易斯．布魯斯（Louis Brus，1943～）
國籍∣美國
任職單位∣哥倫比亞大學
研究領域∣實驗化學物理、 奈米科學
（Columbia University）


阿列克謝．艾吉莫夫（Alexei Ekimov，1945～）
國籍∣俄羅斯、美國
任職單位∣Nanocrystals Technology L. P.
研究領域∣量子化學

具有量子效應的奈米晶體－量子點

一般人熟知的奈米材料尺寸小於100奈米（nm），而量子點就是最典型的奈米半導體材料之一。量子點的材料尺寸約介於1～10nm之間，大約是數百至數千顆原子，因此同時具備微觀原子與巨觀材料的性質，且材料性質也可以由尺寸來調控。換句話說，科學家可以藉由控制晶體尺寸來控制材料的性質，也能創造出新的材料。
 
在早期，量子點常被稱為「奈米晶」，意思是奈米尺寸的晶體。萬物是由大量的原子組成，而量子點晶體材料的尺寸很小，且原子數量也較少、接近於原子尺寸，因此才會具備類似原子的「量子」特性，而量子點也被稱為人造原子。另外，因為量子點尺寸極小，在早期的電子顯微鏡觀察下如同一顆顆的點狀物，無法歸類在一般材料（三維）、薄膜材料（二維，如矽晶IC薄膜材料）與奈米線材料（一維，如奈米碳管）中，被視為零維材料。所以自1990年代後期開始，開始被稱為「quantum dot」或簡稱為「QD」。
 
簡而言之，量子點就是一個具有量子效應的奈米晶體，更精確地說，量子效應指的是「量子侷限效應」（quantum confinement effect，或稱量子尺寸效應）。也就是當材料的尺寸縮減到數奈米且接近原子尺寸時，內部的電子或電洞由於運動範圍被侷限而無法自由移動，因此產生的特別行為，而它們的光電性質也跟著改變，這類具有量子侷限效應的奈米晶體便被稱作量子點。如同現實生活中，當人被關入一個狹小的幽閉空間中，個性、行為也會被改變，而不同的空間大小所造成的侷限感也不同，不同的人也有不同感受⸺就如同不同材料內的電子受到的侷限效應也不同。
 
從廣義上來說，只要材料可以縮小到數奈米，就會有一定程度的量子或奈米效應。比表面積（specific surface area, SSA）的定義為單位質量的總表面積（平方公尺／公克，m²/g），在尺寸為數奈米的晶體中比表面積會很大，使得與晶體表面相關的材料性質，例如催化反應、表面電漿子反應、材料界面反應等，也會與傳統材料有所差異。不過也有些材料在縮小尺寸後的差異程度較小，比較不像是創造了一個新的材料。
 
因此，若從較嚴謹的原始意義來看，並非所有很小的奈米材料都稱為量子點，通常是材料內電子受到限制後而使性質被改變的才屬於此範疇。但有時量子效應的出現比較難被定義，當一般材料出現迥異於傳統材料特性的效應且差異達到約20％以上時，我們就可以認為它受到某些量子效應的影響，使得性質被改變，就像是創造了一種新的材料。
 

奈米技術不一定是量子點技術！

從上述定義來看，奈米技術並不一定是量子點技術。例如台灣積體電路製造公司（台積電）目前最先進的量產製造技術為3nm，意思是只在一片薄膜中的某個區域，利用類似傳統照相底片曝光顯影的方式，製造出一個3nm長度或厚度的導線或薄膜線路，讓電子訊號傳輸更快、發熱量更低。此概念如同我們使用的有線寬頻網路，當電纜線愈短、離網路機房愈近，則網路速度愈快且耗能也愈少。因此嚴格講起來，晶圓代工中的導線尺寸縮減，僅是利用製造技術讓線的寬度變得更窄，使電子傳導距離更短、訊號更快，並沒有利用到量子效應，因此不被歸類在量子點中。
 
那具有量子侷限效應的材料究竟有什麼特別的應用？大家都學過，純物質的熔、沸點固定，假設某個純物質的沸點是100℃，則它應該就是水。因此若能將水變成一個數奈米的晶體，就可以讓「水量子點」的物理性質改變，例如熔、沸點的降低或提升；若可以控制水量子點的晶體尺寸，就有機會讓「水」出現不同的特性。不過要注意的是，如果溫度升高變成液態水，水分子就會聚成一團，自然也就不是量子點了。……【更多內容請閱讀科學月刊第648期】