量子點以及其應用

2023年諾貝爾化學獎，頒授予Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus以及Alexei I. Ekimov，表彰他們在1980年代發現和合成量子點（for the discovery and synthesis of quantum dots）。 
 
大概念來說，量子點是人工製造的「原子」（artificial atom）。 
 
20世紀迄今，人類文明發展大幅度的依賴於電磁學，包括它所涵蓋的電荷、磁、自旋、電磁波等諸種現象。對於用於承載、操控這些現象的物質，我們對其瞭解的基礎知識是量子力學以及電磁學。

人類對於這些性質的應用，大都是順從自然的安排。譬如矽的帶隙能量（energy gap）為1.12 eV，積體電路的柵極電壓就設為比這數值稍高，用以開關電晶體。又譬如DUV雷射光源的氟化氬（ArF；Argon Fluoride）分子的能階間隙是6.42 eV，所以ArF DUV曝光機對應的波長就是193奈米。

換句話說，人類雖然開始掌握關於物質的部分知識，但是對於這些知識的應用，人類過去大致上是聽從自然的安排，至少在那些物質的特性參數是如此的。
 
如果我們想「設計」物質的基礎特性呢？譬如它的光、電荷、自旋等性質時呢？

我們用以建構的基礎單元—也就是類似樂高的積木塊—仍舊是自然的原子及其形成的分子，只不過這次要使用基礎單元數目要多得多，1個量子點可能要使用100~10,000個原分子來建構，這樣製造出來的量子點大小直徑在數奈米至100奈米之間。我們的付出的代價是較複雜的製作程序，以及較為龐大的單元尺寸；收益是可控、可設計的量子點的光、電、自旋等特性。這些特性可以藉由量子點的大小、組成材料、形狀等來調整其內部能階，而能階正是物質的量子特性之一，是以名之。 可以設計出人工原子，自然也可以設計出人工分子、乃至於超晶格（superlattice）等更大尺度的結構。
 
量子點的製作材料過去以II-IV族、III-V族為主，譬如硫化鉛（PbS）、硒化鉛（SePb）、硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、碲化鎘（CdTe）、砷化銦（InAs）、磷化銦（InP）等。 
 
但是II-IV族量子點多含重金屬，譬如鎘與鉛，對環境相當不友善，所以顯示器中的量子點目前正轉向III-V族的量子點，譬如磷化銦（InP）、硫化銅銦（CuInS）等。而III-V族量子點如當成生物中的體內（in vivo）當感測器或成像使用，可能有毒性或致癌，因此目前正尋找其他材質如矽、碳等，或者加以表面修飾（surface modification）以製作安全的量子點。 
 
量子點的應用非常廣泛，包括顯示器、單電子電晶體（SET；Single Electron Transistor）、太陽能電池（solar cell）、LED、雷射、單光子光源（single-photon sources）、二次諧波生成（second-harmonics generation）、量子點量子位元（quantum dot qubits）、生醫研究裡的感測器及成像（imaging）等。 
 
量子點顯示器已經商業量產，製造方法與LCD差不多，只不過LCD中用來當背光（backlit）白光LED改為藍光的量子點。製作流程先是在基板上以有機金屬化學氣相沈積法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD）製作藍光量子點，於這層之上製造並排的綠光量子點及紅光量子點當彩色濾光片，另外留一處空缺透藍光，形成RGB三原色畫素。 
 
量子點顯示器有深黑色（deep blacks）、最佳視角（optimal viewing angle）、原始色彩（pristine colors），較省電、高色彩飽和度（saturation）、較寬色域（wider color gamut），壽命亦較長。目前市場上的競爭對手是OLED，但是未來解析度再走向8k以後，暫時沒有能涵蓋如此廣泛色域的對手。 
 
量子點的2個前瞻性應用，分別是生物醫療研究與量子計算。 
 
量子點於生物中可以用於成像、標記（label）、運送（delivery）、感測等功能。量子點具有明亮且穩定的螢光，而且可以調整其顏色，還可以附加功能基以鎖定特殊標靶。由於其尺寸僅數奈米，不僅微米級的動物細胞可以輕易解析，連尺度與其相當的蛋白質也可以用量子點來標記研究。 
 
一個有趣的應用領域是用來研究腦細胞及功能，這個研究領域又終將回饋到人工智慧（AI）、類神經晶片（neuromorphic chips）、腦機介面等競爭激烈的尖端科技新領域。 
 
只是如前所述，量子點於體內毒性的問題需要先澄清並克服。 
 
量子點量子位元是被寄予厚望的量子計算技術，因為它不只是半導體相容的技術—它本身就是半導體技術。如果原型開發成功，它可以立即利用目前成熟的半導體生產體系快速投入量產。 
 
目前的量子點量子位元是自旋量子元（spin qubit），即量子點中約束1個電子，而且這個電子的自旋的狀態可以被操控、測量，當成量子位元使用。 
 
量子點量子位元的技術發展面臨的主要挑戰，是量子點量子位元之間不易形成量子糾纏，目前可以相互糾纏的量子點量子位元數一隻手數得完。不容易被環境干擾的量子位元，也意味著不容易與周遭的量子位元形成量子糾纏。這是典型的工程問題—權衡兩難以最佳化。
 
量子點此次獲得諾貝爾化學獎實至而名歸。它發現人工原子，使得人類擁有更進一步操控微觀世界的能力，它對文明及經濟的貢獻已經開展在照明及顯示器上，而它又可以成為促成其他領域新發現的工具，這些都是典型得獎作品的印記。