量子點是準零維的納米材料，由少量的原子所構(gòu)成。粗略地說，量子點三個維度的尺寸都在100納米以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子局限效應(yīng)特別顯著。由于量子局限效應(yīng)會導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能階結(jié)構(gòu)，因此量子點又被稱為“人造原子”。

量子點量子點，電子運動在三維空間都受到了限制，因此有時被稱為“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子點原子”，是20世紀90年代提出來的一個新概念。

量子點是在把導(dǎo)帶電子、價帶空穴及激子在三個空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。這種約束可以歸結(jié)于靜電勢（由外部的電極，摻雜，應(yīng)變，雜質(zhì)產(chǎn)生），兩種不同半導(dǎo)體材料的界面（例如：在自組量子點中），半導(dǎo)體的表面（例如：半導(dǎo)體納米晶體），或者以上三者的結(jié)合。量子點具有分離的量子化的能譜。所對應(yīng)的波函數(shù)在空間上位于量子點中，但延伸于數(shù)個晶格周期中。一個量子點具有少量的（1-100個）整數(shù)個的電子、空穴或空穴電子對，即其所帶的電量是元電荷的整數(shù)倍。

小的量子點,例如膠狀半導(dǎo)體納米晶,可以小到只有2到10個納米,這相當于10到50個原子的直徑的尺寸,在一個量子點體積中可以包含100到100,000個這樣的原子。自組裝量子點的典型尺寸在10到50納米之間。通過光刻成型的門電極 或者刻蝕半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣形成的量子點橫向尺寸可以超過100納米。將10納米尺寸的三百萬個量子點首尾 相接排列起來可以達到人類拇指的寬度。

量子點，又可稱為納米晶，是一種由II－VI族或III－V族元素組成的納米顆粒。量子點的粒徑一般介于1～10nm之間，由于電子和空穴被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射熒光。基于量子效應(yīng)，量子點在太陽能電池，發(fā)光器件，光學生物標記等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

量子點按其幾何形狀，可分為箱形量子點、球形量子點、四面體量子點、柱形量子點、立方量子點、盤形量子點和外場（電場和磁場）誘導(dǎo)量子點；按其電子與空穴的量子封閉作用，量子點可分為1型量子點和2型量子點；按其材料組成，量子點又可分為元素半導(dǎo)體量子點，化合物半導(dǎo)體量子點和異質(zhì)結(jié)量子點。此外，原子及分子團簇、超微粒子和多空硅等也都屬于量子點范疇。

量子點獨特的性質(zhì)基于它自身的量子效應(yīng)，當顆粒尺寸進入納米量級時，尺寸限域?qū)⒁鸪叽缧?yīng)、量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)，從而派生出納米體系具有常觀體系和微觀體系不同的低維物性，展現(xiàn)出許多不同于宏觀體材料的物理化學性質(zhì)，在非線形光學、磁介質(zhì)、催化、醫(yī)藥及功能材料等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景，同時將對生命科學和信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及物質(zhì)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究發(fā)生深刻的影響。

表面效應(yīng)是指隨著量子點的粒徑減小，大部分原子位于量子點的表面，量子點的比表面積隨粒徑減小而增大。由于納米顆粒大的比表面積，表面相原子數(shù)的增多，導(dǎo)致了表面原子的配位不足、不飽和鍵和懸鍵增多．使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。這種表面效應(yīng)將引起納米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運和結(jié)構(gòu)型的變化，同時也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。表面缺陷導(dǎo)致陷阱電子或空穴，它們反過來會影響量子點的發(fā)光性質(zhì)、引起非線性光學效應(yīng)。金屬體材料通過光反射而呈現(xiàn)出各種特征顏色，由于表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)使納米金屬顆粒對光反射系數(shù)顯著下降，通常低于1%，因而納米金屬顆粒一般呈黑色，粒徑越小，顏色越深，即納米顆粒的光吸收能力越強，呈現(xiàn)出寬頻帶強吸收譜。

由于量子點與電子的De Broglie波長、相干波長及激子Bohr半徑可比擬，電子局限在納米空間，電子輸運受到限制，電子平均自由程很短，電子的局域性和相干性增強，將引起量子限域效應(yīng)。對于量子點，當粒徑與Wannier激子Bohr半徑aB相當或更小時，處于強限域區(qū)，易形成激子，產(chǎn)生激子吸收帶。隨著粒徑的減小，激子帶的吸收系數(shù)增加，出現(xiàn)激子強吸收。由于量子限域效應(yīng)，激子的最低能量向高能方向移動即藍移。最新的報道表面，日本NEC已成功地制備了量子點陣，在基底上沉積納米島狀量子點陣列。當用激光照射量子點使之激勵時，量子點發(fā)出藍光，表明量子點確實具有關(guān)閉電子的功能的量子限域效應(yīng)。當量子點的粒徑大于Waboer激子Bohr半徑嶺時，處于弱限域區(qū)，此時不能形成激子，其光譜是由干帶間躍遷的一系列線譜組成。

傳統(tǒng)的功能材料和元件，其物理尺寸遠大于電子自由程，所觀測的是群電子輸運行為，具有統(tǒng)計平均結(jié)果，所描述的性質(zhì)主要是宏觀物理量．當微電子器件進一步細微化時，必須要考慮量子隧道效應(yīng)。100nm被認為是微電子技術(shù)發(fā)展的極限，原因是電子在納米尺度空間中將有明顯的波動性，其量子效應(yīng)將起主要功能．電子在納米尺度空間中運動，物理線度與電子自由程相當，載流子的輸運過程將有明顯電子的波動性，出現(xiàn)量子隧道效應(yīng)，電子的能級是分立的．利用電子的量子效應(yīng)制造的量子器件，要實現(xiàn)量子效應(yīng)，要求在幾個μm到兒十個μm的微小區(qū)域形成納米導(dǎo)電域。電子被“鎖”在納米導(dǎo)電區(qū)域，電子在納米空間中顯現(xiàn)出的波動性產(chǎn)生了量子限域效應(yīng)。納米導(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的量子墊壘，當電壓很低時，電子被限制在納米尺度范圍運動，升高電壓可以使電子越過納米勢壘形成費米電子海，使體系變?yōu)閷?dǎo)電．電子從一個量子阱穿越量子墊壘進人另一個量子阱就出現(xiàn)了量子隧道效應(yīng)，這種絕緣到導(dǎo)電的臨界效應(yīng)是納米有序陣列體系的特點。

通過控制量子點的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸，就可以方便地調(diào)節(jié)其能隙寬度、激子束縛能的大小以及激子的能量藍移等電子狀態(tài)。隨著量子點尺寸的逐漸減小，量子點的光吸收譜出現(xiàn)藍移現(xiàn)象。尺寸越小，則譜藍移現(xiàn)象也越顯著，這就是人所共知的量子尺寸效應(yīng)。

1、量子點的發(fā)射光譜可以通過改變量子點的尺寸大小來控制。通過改變量子點的尺寸和它的化學組成可以使其發(fā)射光譜覆蓋整個可見光區(qū)。以CdTe量子為例，當它的粒徑從 2.snln生長到4.0nm時，它們的發(fā)射波長可以從510nm紅移到660nm 。

2、量子點具有很好的光穩(wěn)定性。量子點的熒光強度比最常用的有機熒光材料“羅丹明6G”高20倍，它的穩(wěn)定性更是“羅丹明6G”的100倍以上。因此，量子點可以對標記的物體進行長時間的觀察，這也為研究細胞中生物分子之間長期相互作用提供了有力的工具。

3、量子點具有寬的激發(fā)譜和窄的發(fā)射譜。使用同一激發(fā)光源就可實現(xiàn)對不同粒徑的量子點進行同步檢測，因而可用于多色標記，極大地促進了熒光標記在中的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的有機熒光染料的激發(fā)光波長范圍較窄，不同熒光染料通常需要多種波長的激發(fā)光來激發(fā)，這給實際的研究工作帶來了很多不便。此外，量子點具有窄而對稱的熒光發(fā)射峰，且無拖尾，多色量子點同時使用時不容易出現(xiàn)光譜交疊。

4、量子點具有較大的斯托克斯位移。量子點不同于有機染料的另一光學性質(zhì)就是寬大的斯托克斯位移，這樣可以避免發(fā)射光譜與激發(fā)光譜的重疊，有利于熒光光譜信號的檢測。

5、生物相容性好。量子點經(jīng)過各種化學修飾之后，可以進行特異性連接，其細胞毒性低，對生物體危害小，可進行生物活體標記和檢測。

6、量子點的熒光壽命長。有機熒光染料的熒光壽命一般僅為幾納秒(這與很多生物樣本的自發(fā)熒光衰減的時間相當）。而量子點的熒光壽命可持續(xù)數(shù)十納秒（20ns一50ns)，這使得當光激發(fā)后，大多數(shù)的自發(fā)熒光已經(jīng)衰變子點熒光仍然存在，此時即可得到無背景干擾的熒光信號。

總而言之，量子點具有激發(fā)光譜寬且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜窄而對稱，顏色可調(diào)，光化學穩(wěn)定性高，熒光壽命長等優(yōu)越的熒光特性，是一種理想的熒光探針。

很多現(xiàn)代發(fā)光材料和器件都由半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，材料形成的量子點尺寸都與過去常用的染料分子的尺寸接近，因而象熒光染料一樣對生物醫(yī)學研究有很大用途。從生物體系的發(fā)光標記物的差別上講，量子點由于量子力學的奇妙規(guī)則而具有顯著的尺寸效應(yīng)，基本上高于特定域值的光都可吸收，而一個有機染料分子只有在吸收合適能量的光子后才能從基態(tài)升到較高的激發(fā)態(tài)，所用的光必須是精確的波長或顏色，這明顯與半導(dǎo)體體相材料不同，而量子點要吸收所有高于其帶隙能量的光子，但所發(fā)射的光波長（即顏色）又非常具有尺寸依賴性。所以，單一種類的納米半導(dǎo)體材料就能夠按尺寸變化產(chǎn)生一個發(fā)光波長不同的、顏色分明的標記物家族，這是染料分子根本無法實現(xiàn)的。

與傳統(tǒng)的染料分子相比，量于點確實具有多種優(yōu)勢。無機微晶能夠承受多次的激發(fā)和光發(fā)射，而有機分子卻會分解．持久的穩(wěn)定性可以讓研究人員更長時間地觀測細胞和組織，并毫無困難地進行界面修飾連接”。量于點最大的好處是有豐富的顏色。生物體系的復(fù)雜性經(jīng)常需要同時觀察幾種組分，如果用染料分子染色，則需要不同波長的光來激發(fā)，而量于點則不存在這個問題，使用不同大小（進而不同色彩）的納米晶體來標記不同的生物分子。使用單一光源就可以使不同的顆粒能夠被即時監(jiān)控。量子點特殊的光學性質(zhì)使得它在生物化學、分子生物學、細胞生物學、基因組學、蛋白質(zhì)組學、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應(yīng)用前景。

半導(dǎo)體量子點的生長和性質(zhì)成為當今研究的熱點，目前最常用的制備量子點的方法是自組織生長方式。量子點中低的態(tài)密度和能級的尖銳化，導(dǎo)致了量子點結(jié)構(gòu)對其中的載流子產(chǎn)生三維量子限制效應(yīng)，從而使其電學性能和光學性能發(fā)生變化，而且量子點在正入射情況下能發(fā)生明顯的帶內(nèi)躍遷。這些性質(zhì)使得半導(dǎo)體量子點在單電子器件、存貯器以及各種光電器件等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

基于庫侖阻塞效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)制成的半導(dǎo)體單電子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人們的關(guān)注。 “半導(dǎo)體量子點材料及量子點激光器”是半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域中的一個前沿性課題。這項工作獲得了突破性進展，于2000年4月19日通過中國科學院科技成果鑒定。半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)材料是一種人工改性的新型半導(dǎo)體低維材料，基于它的量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿和庫侖阻塞以及非線性光學效應(yīng)等是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)，在未來的納米電子學、光電子學和新一代超大規(guī)模集成電路等方面有著極其重要的應(yīng)用前景。采用應(yīng)變自組裝方法直接生長量子點材料，可將量子點的橫向尺寸縮小到幾十納米之內(nèi)，接近縱向尺寸，并可獲得無損傷、無位借的量子點，現(xiàn)已成為量子點材料制備的重要手段之一；其不足之處是量子點的均勻性不易控制。 以量子點結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的量子點激光器理論上具有更低的閾值電流密度、更高的光增益、更高的特征溫度和更寬的調(diào)制帶寬等優(yōu)點，將使半導(dǎo)體激光器的性能有一個大的飛躍，對未來半導(dǎo)體激光器市場的發(fā)展方向影響巨大。近年來，歐洲、美國、日本等國家都開展了應(yīng)變自組裝量子點材料和量子點激光器的研究，取得了很大進展。

除了采用量子點材料研制邊發(fā)射、面發(fā)射激光器外，在其他的光電子器件上量子點也得到了廣泛的應(yīng)用。