天津大學(xué)首次用物理方法取得納米級(jí)半導(dǎo)體材料

4年前實(shí)驗(yàn)室人員的一個(gè)疏忽，卻導(dǎo)致了一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，最終成就了一個(gè)世界首創(chuàng)的工藝。最近，天津大學(xué)材料學(xué)院量子點(diǎn)材料與器件研究組開(kāi)發(fā)出了環(huán)保高 效的單分散量子點(diǎn)合成新工藝，成果發(fā)表在《Nature Communications》(《自然通信》)雜志上，這是世界上首次報(bào)道用物理方法合成單分散量子點(diǎn)，與化學(xué)方法相比更加高效。

論文通訊作者、天津大學(xué)材料學(xué)院教授杜希文說(shuō)，當(dāng)半導(dǎo)體材料直徑在幾納米大小時(shí)，可表現(xiàn)出許多獨(dú)特的物理性質(zhì)。如大家熟知的硅，正常體積下將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電能的最高效率為33%，但是當(dāng)硅的體積為4納米左右時(shí)，效率可以提高到66%。有的材料則能發(fā)出特別光，如果在腫瘤的抗體藥物上攜帶納米級(jí)別的發(fā)光材料，可以非常準(zhǔn)確地標(biāo)記出腫瘤的位置，為醫(yī)生判斷病情、尋找病灶提供幫助。正是因?yàn)檫@些量子點(diǎn)(又稱為半導(dǎo)體納米晶)具備這樣神奇的能力，因此目前是各國(guó)科研人員研發(fā)的熱點(diǎn)。

杜希文說(shuō)，傳統(tǒng)的機(jī)械工藝最多能將半導(dǎo)體材料粉碎到微米的程度，體積是納米級(jí)別的上千倍。過(guò)去一直通過(guò)濕化學(xué)方法，利用集中化學(xué)物品之間的反應(yīng)，制得量子點(diǎn)材料。但是這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，少則幾個(gè)小時(shí)多則幾天，還會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。

4年前，杜希文教授實(shí)驗(yàn)室的一名學(xué)生做用激光將金屬靶打碎成金屬粒的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)一般只需用激光照射金屬靶3分鐘左右，但學(xué)生中途離開(kāi)，放任激光照射金屬靶達(dá)4個(gè)多小時(shí)。該團(tuán)隊(duì)隨后發(fā)現(xiàn)，金屬靶被打成了尺寸為幾納米的金屬粒子，這樣的結(jié)果比以前要理想多了。他們轉(zhuǎn)而把這一“奇怪”現(xiàn)象作為一項(xiàng)研究重點(diǎn)，探索如何利用激光把半導(dǎo)體材料 “敲成”納米大小的均勻顆粒。最終歷時(shí)4年，在這一領(lǐng)域探索出了合成單分散量子點(diǎn)的物理方法。

利用激光這把“錘子”，科學(xué)家們可以根據(jù)實(shí)際需要“變化”力度，精確控制半導(dǎo)體材料的具體尺寸。

相比濕化學(xué)方法，這種世界首創(chuàng)的方法耗時(shí)短，一次僅需20多分鐘，獲得的量子點(diǎn)大小更均勻，表面沒(méi)有化學(xué)藥物，非常潔凈。杜希文說(shuō)，預(yù)計(jì)未來(lái)這一工藝可以幫助獲得更加廉價(jià)的量子點(diǎn)，使其在疾病診斷、水污染檢測(cè)、光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域發(fā)揮更加顯著的作用。