甘酸っぱいスペアリブの中には、実は「ハイテク素材」が隠されているんです！とても強力ですが、一体何なのでしょうか？

ナノマテリアルに続いて、近年量子マテリアルが注目され始めています。

もちろん、素材だけではありません。 「量子」という言葉が加わると、すべてがハイエンドになります。結局のところ、量子力学はまだ少し怖いようです。

しかし、巨大な工場や高価な機器、高度な技術を必要としない種類の量子物質が存在します。鍋さえあれば自宅で作れます。それは量子ドット材料です。

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それは何ですか？

聞いたことのない用語に出会ったときは、まず科学的な「3つの性質」から考えてみるとよいでしょう。それは何でしょうか?何の役に立つの？どうやってやるんですか？

では量子ドットとは何でしょうか?

名前が示すように、量子ドットは量子特性を示すことができる「ドット」です。もちろん、この「点」は真のゼロ次元点ではありませんが、この物質のサイズが非常に小さいことを意味します。量子ドットのサイズは通常、数ナノメートルから数十ナノメートルの間です。このような小さなサイズは、量子ドットが量子トンネル効果やクーロンブロッケードなどの量子特性を示すのに十分です。

細胞上の硫化カドミウム量子ドット |出典：参考文献[1]

実際、量子ドットは特定の構造を持つ原子のクラスターです。励起子量子状態は空間の 3 方向に束縛されます (励起子: クーロン作用によって電荷と正孔によって形成される束縛状態)。この結合効果は、自然界における三次元状態の原子と電子の結合効果と非常に似ているため、量子ドットは人工原子とも呼ばれます。

量子ドットを構成する主な元素によって、量子ドットはシリコン量子ドット、ゲルマニウム量子ドット、硫化カドミウム量子ドット、セレン化カドミウム量子ドット、テルル化カドミウム量子ドット、セレン化亜鉛量子ドット、硫化鉛量子ドット、セレン化鉛量子ドット、リン化インジウム量子ドット、ヒ化インジウム量子ドットなどに分類されます。異なる量子ドットは異なる方法で製造され、異なる特性を示すことができます。

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何の役に立つの？

量子ドットは何に使用されますか?

これは量子ドットの特性から始まります。

量子ドットの特性は、半導体と個別の原子および分子の特性の中間にあります。半導体では、電子が光子を吸収し、価電子帯から伝導帯にジャンプし、価電子帯に正孔を残します。この電子と正孔のペアはクーロン効果によって励起子を形成します。励起子を構成する電子と正孔が対応する基底状態に戻ると、励起子のエネルギーが光子の形で放出され、蛍光が形成されます。

励起子エネルギーレベルの模式図 |出典：参考文献[1]

前述のように、量子ドットにも励起子が存在し、量子ドットの励起子も光子の形でエネルギーを放出するため、量子ドットは通常、蛍光を発することができます。量子ドットの光電子特性は、通常、サイズと形状によって異なります。直径 5 ～ 6 ナノメートルの大きな量子ドットは、オレンジ色や赤色の光など、より長い波長の蛍光を発します。より小さな量子ドット（2〜3ナノメートル）はより短い波長の光を放射し、青や緑などの色を生み出します。量子ドットの優れた制御可能な発光特性により、光電子工学分野での幅広い応用が期待されています。

異なるサイズの量子ドットは、同じ光線で励起されると異なる色の光を発します。 |出典：参考文献[1]

量子ドットの潜在的な用途には、単一電子トランジスタ、太陽電池、発光ダイオード、レーザー、単一光子源、量子コンピューティング、細胞生物学研究、顕微鏡検査、医療用画像などがあります。

特にディスプレイの分野では、量子ドットには独自の利点があります。従来のディスプレイとの違いは、量子ドット ディスプレイでは青色 LED 光源が使用されることです。前述したように、異なるサイズの量子ドットは異なる色の光を生成できます。対応する量子ドットを通過すると、青色 LED 光はそれぞれ赤色光または緑色光に変換されます。空白のピクセルによって直接表示される青色光と組み合わせると、赤、緑、青の RGB 光が得られ、これらを組み合わせて必要なさまざまな色を生成できます。 2006 年 6 月にはすでに量子ドット ディスプレイのコンセプト バージョンが提案され、2013 年には実際に商用化された量子ドット ディスプレイが登場しました。あなたの家にあるのは量子ドットディスプレイかもしれませんよ〜

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どうやってやるんですか？

たくさんの準備を経て、ようやく冒頭で話した疑問、つまり量子ドット材料をどのように準備するかという疑問にたどり着きました。

現在、量子ドット材料の製造方法は、化学溶液成長法、エピタキシャル成長法、電気化学的方法の3種類に大別できます。異なるタイプの量子ドットを成長させるには、異なる方法が適しています。一つずつ話してみましょう。

1つ目は化学溶液成長法です。編集者はこの方法を「大鍋煮込み法」と呼んでいます。この方法は、原料を一定の割合で化学溶液に入れ、一定の温度と熱を一定時間維持することで量子ドットを得ることができるというものです。これはシンプルで安全かつ効率的であり、通常、環境へのダメージはほとんどありません。これは非常に一般的な調理方法です。

ここで、量子ドット材料、つまり炭素量子ドット材料について言及する必要があります。原材料も作り方もシンプルなのが特徴です。果汁、牛乳、卵白、ビタミンC、ブドウ糖、草の葉などはすべて炭素量子ドットの製造原料として使用でき、製造プロセスには高温は必要ありません。

残った酢豚のスペアリブは捨てないでください。取り出して紫外線の下に置きます。蛍光ドットが見えたら、それは炭素量子ドットです。

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エピタキシャル成長法は分子線エピタキシャル成長法と化学気相成長法に分けられます。原理は、特定の基板の表面での原料の反応と堆積を制御して量子ドットを得ることです。この方法で製造された量子ドットは、特に超高真空環境での分子線エピタキシーによって成長する場合、高度な制御が可能であるため、製品の純度を非常に高くすることができます。欠点は、準備コストが比較的高価であり、放出されたガスが環境を汚染する可能性があることです。量子ドットに加えて、成長温度や時間などのパラメータを変更することで、基板上で生成物をさらに成長させ、1次元ナノチューブ材料や2次元薄膜材料を得ることができます。

電気化学的方法は、特定の原材料を電極として使用し、特定の電解質を介して回路を形成します。一定の交流電圧を印加することで、量子ドットを原料電極から剥離することができます。この方法は収率が高く、環境への影響も少ないが、作製できる量子ドットの種類が限られているという欠点がある。

これら 3 つの方法の他に、アーク放電法、レーザーアブレーション法、燃焼法、プラズマ合成法など、量子ドットを作製する方法は数多くあります。 異なる方法にはそれぞれ長所と短所があり、異なるタイプの量子ドットを作製するのに適しています。異なる方法で作成された同じ量子ドットの特性も異なります。

量子ドット材料は非常に高級なものに聞こえますが、実際には調理によって作ることができます。これからは酢豚をもっと頻繁に食べなければいけません。

参考文献:

[1] 量子ドット - Wikipedia

[2] 王振林表面プラズモン研究における新たな進歩[J]。物理学の進歩、2009年、29(03):287-324。

[3] 林張飛、蘇星光、張昊、蒙英、孫葉、胡海、楊白、厳剛林、羅貴民、金秦漢。水溶液中で合成された量子ドットを生物発光マーカーとして使用する研究[J]。大学化学ジャーナル、2003(02):216-220.

[4] Li Ting、Tang Jilong、Fang Fang、Fang Dan、Fang Xuan、Chu Xueying、Li Jinhua、Wang Fei、Wang Xiaohua、Wei Zhipeng。カーボン量子ドットの合成、特性および応用[J]。機能性材料、2015、46(09):9012-9018+9025。

著者: 中国科学院物理研究所ニューメディアセンター

レビュー |羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

制作 |科学普及中国-星空プロジェクト（創造と育成）

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