圖一：量子井、量子線及量子點與電子的物質波波長比較關係示意圖 (繪製\ 林銘杰、郭昭延©奈米科學網)
| 量子點(Quantum Dots) | |
| NCHC奈米科學研究小組 林銘杰博士 2003/06/06 | |
| 量子點(quantum dot)是準零維(quasi-zero-dimensional)的奈米材料，由少量的原子所構成。粗略地說，量子點三個維度的尺寸都在100奈米(nm)以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內部電子在各方向上的運動都受到侷限，所以量子侷限效應(quantum confinement effect)特別顯著。由於量子侷限效應會導致類似原子的不連續電子能階結構，因此量子點又被稱為「人造原子」(artificial atom)。科學家已經發明許多不同的方法來製造量子點，並預期這種奈米材料在二十一世紀的奈米電子學(nanoelectronics)上有極大的應用潛力。 | |
|
|
若要嚴格定義量子點，則必須由量子力學(quantum mechanics)出發。我們知道電子具有粒子性與波動性，電子的物質波特性取決於其費米波長(Fermi wavelength) |
| 在一般塊材中，電子的波長遠小於塊材尺寸，因此量子侷限效應不顯著。如果將某一個維度的尺寸縮到小於一個波長（如圖一所示），此時電子只能在另外兩個維度所構成的二維空間中自由運動，這樣的系統我們稱為量子井(quantum well)；如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小於一個波長，則電子只能在一維方向上運動，我們稱為量子線(quantum wire)；當三個維度的尺寸都縮小到一個波長以下時，就成為量子點了。 | |
| 由此可知，並非小到100nm以下的材料就是量子點，真正的關鍵尺寸是由電子在材料內的費米波長來決定。一般而言，電子費米波長在半導體內較在金屬內長得多，例如在半導體材料砷化鎵GaAs(100)中，費米波長約40nm，在鋁金屬中卻只有0.36nm。 | |
| 目前量子點的製造方法主要有以下四種： 1.化學溶膠法(chemical colloidal method)： 以化學溶膠方式合成，可製作複層(multilay ered)量子點，過程簡單，且可大量生產。(如圖二所示) 2.自組成法(self-assembly method)： 採用分子束磊晶(molecular-beam epitaxy)或化學氣相沉積(chemical vapor deposition)製程，並利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子點在特定基材表面自聚生長，可大量生產排列規則的量子點。(如圖三) 3.微影蝕刻法(lithography and etching)： 以光束或電子束直接在基材上蝕刻製作出所要之圖案，由於相當費時因而無法大量生產。(如圖四) 4.分閘法(split-gate approach)： 以外加電壓的方式在二維量子井平面上產生二維侷限，可控制閘極(Gate)改變量子點的形狀與大小，適合用於學術研究，無法大量生產。（如圖五） |
圖三：在GaAs基材上以自組成法生長 |
 圖四：以GaAs基材蝕刻窄圓柱式量子點 之SEM影像，水平線條約0.5微米(取自Ref.3) |
|
|
| 量子點可視為電子物質波的共振腔，電子在量子點內會有類似電磁波在一般共振腔中的共振現象。當侷限位能壁(potential wall)較薄時，量子點中的電子可因穿隧效應(tunneling effect)而逃離，我們稱之為開放式量子點(open quantum dot)，如圖六所示，其類似一開放式共振腔(open cavity)，此時電子能階不再是穩態(stationary state)而是一種準穩態(quasi-stationary state)；電子停留在準穩態約一個生命週期(lifetime)後，就會逃離量子點。由於這類量子點在光電方面有許多應用潛力，最近的研究相當熱絡。 |
|
|
| 量子點的用途相當廣泛，例如：可用於藍光雷射、光感測元件、單電子電晶體(single
electron transistor, SET)、記憶儲存、觸媒以及量子計算(quantum
computing)等，在醫療上更利用各種發光波長不同的量子點製成螢光標籤，成為生物檢測用的「奈米條碼」。量子點是目前理論上與實驗上的熱門研究題目，世界各國無不積極投入研究，主要領先的有美國、日本、歐盟及俄羅斯等，臺灣也正在急起直追中。 |
||
|
||
