今天，我们写这篇文章是为了祝贺 2023 年诺贝尔化学奖得主，该奖项颁发给了 Moungi Bawendi、Louis Brus 和 Alexei Ekimov，因为他们发现并开发了一种独特的新材料：量子点。
量子点是直径为几纳米到几十纳米的小粒子材料。它们之所以被称为量子点，是因为它们的小尺寸意味着这些微小纳米晶体中的电子表现出的量子行为部分取决于粒子尺寸，而不仅仅是其化学成分。此外，由于它们可以按照不同的尺寸制造，因此可通过这种方法生成具有可定制电子特性的材料。如果选择的材料吸收和/或发射光，这样便可以制造具有定制光子特性的材料。我们的激光器通常用于研究和测量这些光子特性。
由于量子点提供可定制的光子行为，因此它们已经出现在商业产品中，并用于从物理、化学到医学等诸多科学学科。其中一些产品会在生产中使用激光器，后面我们将会展示一个直接涉及激光器的示例，但首先让我们看看量子点的工作原理。
量子点的工作原理 -“盒中粒子”
量子力学告诉我们，像电子这样非常小的东西不仅表现为粒子，而且表现为波。当波以某种方式被限制在一个盒中（如果你愿意的话）时，盒子的大小决定了允许的波的大小。大盒子提供更多的空间并支持更长的波。小盒子提供的空间较小，并且仅支持较短的波。在大学新生的化学课中，这个简单的理论模型被称为“盒中粒子”，然而将它描述为“盒中的波”更为合适。另一个更简单实用的类比是管风琴产生的声波。管道越长，声波就越长，这意味着频率越低，我们听到的音调越低。管道越短，声波也越短，这意味着更高的频率和更高的音调。
这对量子点的光子特性意味着什么？如果是吸收光的材料，例如硫化镉，则较大的点具有与块状材料相似的吸收特性。但随着点变得越来越小，吸收曲线向更短的波长偏移，即向蓝色偏移。类似地，对于将吸收的光重新发射为荧光的材料，例如某些钙钛矿材料，较大的点具有与块体材料相似的发射特性。但随着点的尺寸变小，发射的光将会向蓝色偏移。
量子点与显示技术
通过将材料形成特定尺寸的量子点来调节材料光吸收和发射特性的能力意味着可以将它们用作颜色转换器。这将取代老式荧光粉在显示屏等应用中的作用。我们非常了解 Coherent 的显示屏应用，因为在多个重要的制造工艺中使用我们的激光器，包括对通常形成背板电路的低温多晶硅进行退火，修整偏振片屏幕，以及最新 µLED 显示屏中的批量转移。
与传统荧光粉相比，量子点可以提供更高的转换效率，从而实现更明亮的显示效果。此外，它们的发射光谱（颜色扩散）可能非常窄，从而使 RGB 显示屏具有更大的色域。
量子点实际上已经在电视显示屏中使用了近十年，它现在通称为 QLED 电视。这是一种 LCD 显示屏，其中的点包含在一层薄膜中，照射到点上的光由 LED 背光提供。QLED 电视是目前最受欢迎的电视类型之一，因为它们能够以比有机 LED (OLED) 显示屏更低的成本提供具有吸引力的图像质量，有机 LED (OLED) 显示屏的每个像素都是一个发光二极管。还有另一种称为 QD-OLED 的电视变体，它将量子点再次用作颜色转换器/增强器，单独与 OELD 相比可以提高图像的颜色质量。
一种新兴的显示技术称为 microLED。采用这种技术的显示屏的每个像素中都有一个无机 LED，但它比像素要小得多。这带来了一些重要的优势。首先，microLED 器件可以小至几微米，因此可以在晶圆上密集地大量生产，并且单价非常低。其次，每个像素中大量未使用的区域可用于未来 AR/VR 应用中的传感或其他目的。在制造这些显示屏时，比较棘手的地方是在短短几分钟的时间内转移并准确放置数以亿计的微型 LED。Coherent 提供一种聪明的非机械方法来完成此操作，我们称之为 UVtransfer。
那么，microLED 显示屏中的量子点在哪里呢？事实证明，已经有两种类型的 microLED 显示屏。在原始格式中，每个像素包含 3 个 LED – 红、绿和蓝。在另一种格式中，仅使用蓝色 LED，量子点充当红色和绿色的颜色转换器。后一种格式解决了红色 microLED 发射效率较低所带来的限制。
量子点：新兴科学应用
其他几个领域的工程师和科学家正在将量子点用于各种新兴应用，包括用于癌症可视化的一些生物成像方法。但是，量子点仍处于起步阶段，在了解如何优化量子点在新材料类型中的生产和功能方面，仍有许多基础研究工作要做。我们的科学和仪器激光产品广泛应用于这项工作。现在让我们简要地看几个例子。
泵浦/探针光谱分析。当被激发到更高能量的电子（通常是通过吸收光）通过发射荧光释放该能量时，量子点便会发光。但这个过程从来都不是 100% 高效工作的；会在其他过程中损失一些能量。科学家希望了解这些过程以提高效率和达到其他目的。超快激光器是进行这些研究的最佳工具，因为所用的时间非常短。通常在一种称为泵浦/探针光谱分析的方法中使用这些激光器，在这种方法中，飞秒或皮秒激光脉冲（称为泵浦脉冲）激发电子，然后第二个脉冲（探测脉冲）以某种方式研究样品。
太赫兹拉曼。所有结构都会发生一定程度的振动。分子中的原子以与红外光相对应的频率振动，这就是为什么会在大多数化学实验室中找到红外光谱仪的原因。量子点等纳米级结构以太赫兹 (THz) 频率振动。这是一个棘手的研究领域，因为太赫兹辐射很难产生，也很难检测到。Coherent 提出了一个更简单、更聪明的解决方案，称为太赫兹拉曼，它使用可见激光来提取太赫兹信息。
最后的一些想法
诺贝尔科学奖颁发给揭示新科学或在实际应用方面产生重大影响的发现/发明。在短短几年的时间内，量子点已被证明是这两个类别的优秀典范，并且代表了一个令人兴奋的光子学领域，而这个领域实际上才刚刚兴起。作为一家以光子学为基础的公司，我们很高兴看到开发者被诺贝尔奖委员会授予 2023 年化学奖。在我们看来，获奖当之无愧！
