天津大學首次用物理方法取得納米級半導體材料

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

論文通訊作者、天津大學材料學院教授杜希文說，當半導體材料直徑在幾納米大小時，可表現(xiàn)出許多獨特的物理性質(zhì)。如大家熟知的硅，正常體積下將太陽能轉(zhuǎn)換電能的最高效率為33%，但是當硅的體積為4納米左右時，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別的發(fā)光材料，可以非常準確地標記出腫瘤的位置，為醫(yī)生判斷病情、尋找病灶提供幫助。正是因為這些量子點(又稱為半導體納米晶)具備這樣神奇的能力，因此目前是各國科研人員研發(fā)的熱點。

杜希文說，傳統(tǒng)的機械工藝最多能將半導體材料粉碎到微米的程度，體積是納米級別的上千倍。過去一直通過濕化學方法，利用集中化學物品之間的反應，制得量子點材料。但是這種方法耗時長，少則幾個小時多則幾天，還會產(chǎn)生大量的污染物，對環(huán)境造成負擔。

4年前，杜希文教授實驗室的一名學生做用激光將金屬靶打碎成金屬粒的實驗。該實驗一般只需用激光照射金屬靶3分鐘左右，但學生中途離開，放任激光照射金屬靶達4個多小時。該團隊隨后發(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)象作為一項研究重點，探索如何利用激光把半導體材料 “敲成”納米大小的均勻顆粒。最終歷時4年，在這一領(lǐng)域探索出了合成單分散量子點的物理方法。

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

相比濕化學方法，這種世界首創(chuàng)的方法耗時短，一次僅需20多分鐘，獲得的量子點大小更均勻，表面沒有化學藥物，非常潔凈。杜希文說，預計未來這一工藝可以幫助獲得更加廉價的量子點，使其在疾病診斷、水污染檢測、光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域發(fā)揮更加顯著的作用。