量子点的表面效应与荧光特性
瑞禧生物2025-05-21   作者:wff   来源:
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量子点是一类三维尺寸均在纳米量级的半导体纳米晶体,其量子限域效应赋予了量子点许多异于传统宏观材料的物理化学性质。其中,表面效应和荧光特性是量子点突出的两个特性。表面效应源于量子点极小的尺寸和高的比表面积,对量子点的荧光特性产生影响。

量子点 

一、量子点的表面效应

表面效应的成因

量子点的粒径通常在2~20nm之间,远小于其激子玻尔半径。随着量子点粒径的减小,其比表面积急剧增大。例如,当粒径为10nm时,比表面积为90m²/g;粒径为5nm时,比表面积为180m²/g;而粒径下降到2nm时,比表面积猛增到450m²/g。如此高的比表面积使得量子点的大部分原子位于表面,表面原子所占比例大幅增加。这些表面原子由于配位不足,存在大量不饱和键和悬挂键,具有极高的化学活性,极易与其他原子或分子发生相互作用,从而导致量子点的表面性质与体相材料存在差异,这种现象被称为表面效应。

 

表面效应对量子点性质的影响

电子结构变化:表面效应导致量子点表面原子能级发生改变,形成表面态能级。这些表面态能级位于量子点的禁带中,对量子点的电子结构产生重要影响。表面态能级可以作为电子和空穴的捕获中心,影响载流子的输运和复合过程,进而改变量子点的光学、电学等性质。

光学性质改变:表面效应引起的表面态能级会参与量子点的发光过程,导致量子点的发光效率和发光颜色发生变化。一方面,表面缺陷态可以作为非辐射复合中心,捕获电子和空穴,使部分载流子以非辐射的形式复合,降低量子点的荧光量子产率;另一方面,表面态能级与量子点的导带和价带之间的相互作用,会改变量子点的能级结构,影响其吸收和发射光谱。

化学稳定性降低:由于表面原子具有高的化学活性,量子点容易与周围环境中的分子或离子发生化学反应,导致其化学稳定性降低。例如,量子点在空气中容易被氧化,表面性质发生改变,从而影响其性能和应用。

 

二、量子点的荧光特性

量子点的荧光特性源于其能级结构和光致发光过程。当一束光照射到量子点上时,量子点吸收光子后,其价带上的电子跃迁到导带,形成电子-空穴对(激子)。随后,电子可以通过辐射复合或非辐射复合的方式回到价带。在辐射复合过程中,电子与空穴复合释放出能量,以光子的形式发射出来,产生荧光。量子点的能级结构受到量子限域效应和表面效应的共同影响,其导带和价带之间的能隙宽度随着量子点尺寸的减小而增大,导致发射光的波长向短波方向移动(蓝移)。同时,表面效应引起的表面态能级也会参与电子的复合过程,影响荧光的发射效率和光谱特性。

 

荧光特性的优势

激发光谱宽:量子点具有较宽的激发光谱范围,可以用单个波长的激发光源激发不同尺寸的量子点,使其产生不同颜色的荧光。这一特性使得量子点非常适合用于多通道荧光检测,提高了检测效率。

发射光谱窄:量子点的发射光谱峰非常狭窄,且几乎不出现交叠或交叠范围很小。即使同时使用颜色相近的量子点标记生物分子,其荧光光谱仍然易于区分和识别,为多组分的同时检测提供了可能。

荧光稳定性高:与传统有机荧光染料相比,量子点具有更高的荧光稳定性。它可以经受反复多次激发,光性能几乎不会下降。这一特性使得量子点适合采用时间分辨技术的检测,能够大幅度降低荧光背景的强度,获得信噪比。

荧光寿命长:量子点的荧光寿命可持续数十纳秒(20ns~50ns),是传统有机荧光染料的数倍以上。当受到光照激发后,大多数的自发荧光已经衰变,而量子点荧光仍然存在,可得到无背景干扰的荧光图像。

颜色可调:通过控制量子点的尺寸,可以实现对量子点发光颜色的调控。不同粒径大小的量子点具有不同的发光颜色,且激发量子点的激发波长范围很宽且连续分布,因此可以用同一波长的光激发不同大小的量子点而获得多种颜色标记,是一类荧光探针。

 

三、表面效应与荧光特性的关系

表面缺陷对荧光效率的影响

表面效应导致的表面缺陷是影响量子点荧光效率的关键因素之一。表面缺陷态可以作为非辐射复合中心,捕获电子和空穴,使部分载流子以非辐射的形式复合,从而降低量子点的荧光量子产率。例如,当量子点表面存在大量悬挂键或不饱和键时,这些缺陷位点容易捕获电子或空穴,导致载流子无法通过辐射复合的方式发射荧光。因此,通过表面修饰技术,如引入有机配体或无机壳层,钝化量子点的表面缺陷,减少非辐射复合,可以提高量子点的荧光效率。

表面修饰对荧光特性的调控

表面修饰不仅可以提高量子点的荧光效率,还可以对其荧光特性进行调控。通过选择合适的表面修饰材料和修饰方法,可以改变量子点的表面性质,进而影响其能级结构和发光性能。例如,在量子点表面包覆一层具有高介电常数的材料,可以产生介电限域效应,增强量子点内部的库伦相互作用,提高激子的束缚能,从而改变量子点的发光颜色和荧光强度。此外,表面修饰还可以改善量子点的水溶性和生物相容性,使其能够更好地应用于生物医学领域。

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