发光是一个物体在吸收一个波长的光并以不同波长重新发射光的过程的结果。在这个过程中，材料基态中的电子吸收光并被激发到更高的能态。在每种激发态特有的特定时间段后，电子返回较低的能态（包括基态）并发射光。这种现象被广泛应用于各种技术中，涉及高效且可重复的发射装置，这些装置可以轻松实现小型化。

发光效率最高的材料包括量子点（QDs），目前用于高分辨率显示器、LED、太阳能电池板和各种传感器，如用于精密医学成像的传感器。在量子点表面功能化各种分子可以与细胞结构或其他感兴趣的分子相互作用，以便研究分子水平的生物过程。

量子点中的量子限制

量子点(QDs)是半导体纳米颗粒，其发射特性直接与点大小有关，这是由于量子限域现象。因此，在溶液中合成量子点期间监测和控制晶体生长可以智能规划所需的发光。在《科学报告》(Scientific Reports)杂志上发表的一篇文章中，来自巴西圣保罗大学圣保罗卡洛斯物理研究所(IFSC-USP)的安德烈亚·德·卡马戈(Andrea de Camargo)教授领导的研究人员和德国基尔大学(Kiel University)的合作者提出了一种监测量子点形成的新方法。

圣保罗大学物理与化学研究所（IFSC-USP）的博士生和该论文的第一作者佩德罗·菲利佩·加西亚·马丁斯·达科斯塔表示：“我们使用碲化镉（CdTe）作为模型系统，并通过原位发光分析在加热的水溶液中控制纳米颗粒的生长。”

这项技术使科学家能够实时了解溶液中的情况，同时不影响量子点的合成，使他们能够通过观察发射光的颜色（波长）来监测晶体的生长。“量子点是在存在尺寸控制试剂的情况下，通过混合镉（Cd2+）和碲（Te2-）前驱体溶液合成的。提高温度后，通过碲化物和镉离子聚集开始化学反应。随着反应的进行，更多的CdTe单元通过自组装过程以球形加入簇中。由于能够快速且准确地监测发射频率，因此可以估算出纳米粒子的尺寸。直径在1-2纳米[nm]范围内的CdTe量子点在可见光谱的蓝色和绿色区域发射。尺寸更大的量子点（4-5 nm）分别在较低的频率下发射黄色和红色光”，圣保罗大学IFSC研究所博士后研究员、本文的第二作者Leonnam Gotardo Merizio表示。

原位技术的优点

科斯塔表示，这种新型方法相较于传统的合成策略具有多个优势。“在传统技术中，必须取溶液的小样本测量量子点的大小，但原位技术则可以在反应过程中进行这一操作，而无需干扰反应介质以取样，从而可以在单位时间内获得更多光谱，反应体积不受影响，避免了不必要的浪费。因此，可以更精确地控制感兴趣的量子点的发射颜色。通过光纤在适当波长下提供激发光的设备还可以收集发射光，并确定其在RGB（红、绿、蓝）颜色系统中的特征频率。值得注意的是，RGB系统的控制在多个发光设备（如监视器和智能手机显示屏）的图像形成中具有重要意义，”他解释道。

他补充道，用这种方式合成的量子点还通过X射线衍射、透射电子显微镜、紫外可见吸收光谱和红外振动光谱进行了表征。

1937年，德裔英国物理学家赫伯特·弗罗利希（1905-1991）在理论上预测了量子点的存在。20世纪80年代，苏联的亚历克西·埃基莫夫（1945年出生）和美国的路易斯·布鲁斯（1943年出生）分别首次观察到了半导体纳米颗粒中的量子约束现象。20世纪90年代，法裔美国物理学家穆吉·鲍文迪（1961年出生）显著改进了量子点合成方法。2023年，埃基莫夫、布鲁斯和鲍文迪因在该领域的工作获得了诺贝尔化学奖。

科斯塔说：“量子约束使量子点具有在三维空间中约束电子的能力，从而使量子现象更加明显，并将它们表征为原子、分子和更大晶体阵列之间的中间材料。”

“许多论文都发表了关于CdTe量子点合成的论文。我们的研究的主要贡献与高度通用的原位发光测量系统的开发和应用有关。该方法使我们能够通过与其他允许化学和/或结构分析的技术（如FT-IR、拉曼光谱、DRX等）的原位结合，推断出晶体纳米颗粒的大小，并表征出化学反应中中间化合物的形成。这种合成方法的演进优化了化学产率并节省了能源，”卡马戈说。

参考：2024年4月3日，《科学报告》上发表的P. F. G. M. da Costa、L. G. Merízio、N. Wolff、H. Terraschke和A. S. S. de Camargo撰写的《水溶液中CdTe量子点生长的实时监测》。DOI：10.1038/s41598-024-57810-8