文/簡麗賢
新聞報導了諾貝爾化學獎主題「量子點(quantum dots)的發現與合成」後,幾個學生立即詢問:「什麼是量子點?量子效應又是什麼?」、「為什麼量子點為奈米科技增添色彩?」大哉問!望著求知若渴的學生,適時回饋。
奈米(nanometer)是科學的學術名詞,是長度單位,10億分之1公尺,非常小,「奈米科技」是指運用奈米級尺寸的科技應用。1959年,被尊稱「奈米科技之父」的諾貝爾物理學獎得主理查費曼(Richard Feynman)提出創見:「如果有一天,我們能把一整部百科全書的資料存放在一根針大小的空間,對於科技會帶來怎樣的衝擊?如果能夠移動原子,將有令人振奮的新發現。」這是「奈米科技」最初的思惟。
物理特性 微觀概念
「量子」(quantum)二字有些抽象,雖然有「子」,但量子卻不是我們印象中,具有質量且摸得著、看得到的粒子;量子是一種概念,是微觀世界描述光子或電子的各種物理特性或狀態,例如能量。量子的概念是由物理學家普朗克(Max Planck)為解釋當時黑體輻射遇到的困境,提出一個物理量存在最小且不可分割的基本單位,稱此物理量是量子化,例如能量量子化。
量子點是具有量子效應的奈米尺寸晶體,概念與量子力學的能階躍遷有關,可說讓材料在奈米尺度的量子領域中獲得新生,為奈米科技增添色彩。
量子效應 影響特性
量子效應是指「量子尺寸效應」,當材料的尺寸縮減至幾奈米或接近一個原子大小(0.1奈米)時,內部的電子空間縮小,受到運動範圍的限制而無法自由移動,因此產生特殊行為,會改變材料的光電性質,也影響外在的顏色,亦即尺寸差異產生不同顏色,接受光照射時可發出色光,其顏色視粒子尺寸而定,尺寸較大的量子點會發出紅光,較小者則發出藍光。科學家稱此具有量子效應的奈米晶體為「量子點」,只要材料尺寸縮小至幾奈米,即可能產生量子效應,改變原有的材料特性。例如,水是純物質,在一大氣壓時,其沸點接近100℃,若將水變成幾奈米的晶體,會改變水原先的物理性質,沸點可能升高,水因而出現不同的特性,水的量子點特性可能迥異於我們熟悉的水。
奈米材料 高效放光
當粒子縮小時,為何呈現量子效應?為何影響量子點的光學特性?為何顏色會變化?原因是量子點內部電子受到空間局限有關,奈米粒子較大,電子物質波的空間也較大。物質皆由原子組成,可將電子存在於原子內的能量狀態,視為如階梯般的「能階」,成千上萬的原子,組成的物質具有眾多能階聚集而成的能帶,電子在能量高低不同的能帶會有能量間隙。若外加通電,電子獲得足夠能量後,就能躍遷到更高的能階,產生導電。電子躍遷後也會再返回較低能階,同時放出電磁波而釋放能量,此時釋放的光波長落在可見光範圍,我們可看到半導體材料發光。
量子點組成奈米材料,可發出非常亮的色光,增添奈米科技的色彩,幫助開發半導體電子元件,提升發光二極體(LED)的光源效率,亦應用於切除腫瘤組織等醫療。此外,邇來科技發展量子點發光二極體(Quantum Dot LED)顯示器,即應用極小的量子點,達到極佳放光效率,因不同尺寸大小的量子點能產生不同顏色的單色光,故QLED(量子點電視)能讓螢幕的顏色更寬廣,畫面更多彩且清晰。
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