量子材料

量子材料屬於一大類新材料——溶液納米晶中的一種。溶液納米晶具有晶體和溶液的雙重性質，量子材料是其中馬上具有突破性工業套用的材料。

量子納米材料的物理、化學特性既不同於微觀的原子、分子，也不同於巨觀物體，對它的研究，可以把人們探索自然、創造知識的能力延伸到介於巨觀和微觀物體之間的中間領域。這將是一個全新的領域，將主導未來數十年的技術創新路徑，影響極其深遠。

基本介紹

• 中文名：量子材料
• 外文名：Quantum materials

特性及優勢

與其他納米晶材料不同，量子材料是以半導體晶體為基礎的，尺寸在1~100納米之間，每一個粒子都是單晶。

量子材料的優勢來源於半導體納米晶的量子限域效應，或者量子尺寸效應。當半導體晶體小到納米尺度（1納米大約等於頭髮絲寬度的萬分之一），不同的尺寸就可以發出不同顏色的光。

套用前景

目前，納米材料和納米結構是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經濟和社會發展都有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近套用的重要組成部分。納米半導體材料——量子材料脫穎而出，並以其跨時代意義的套用前景，給科學界帶來了無限遐想。有科學家就認為，量子材料將會成為發展新特性、新效應、新原理和新器件的基礎，成為基礎科學的新基石。

生物醫療領域

量子材料可以套用在生物醫療領域。通過量子材料把細胞的骨架完全顯示出來。與其它種類的檢測手段相比，量子發光材料做檢測具有獨特優勢，可以利用量子材料的不同顏色來同時檢測多種病菌或者農藥殘留，而且因為量子材料吸收能力非常大，能夠大大提高靈敏度。

照明產業

量子材料也能套用於照明產業。目前照明消耗的能量大致相當於電能的20%。但人造光源的光效率是很低的。例如，照明質量高的白熾燈，光效只有2%。如果能把效率提高到20%，就意味著能節省能源消耗的20%。美國能源部的固態照明路線圖寫了一段話：量子材料在人類照明領域將起到重要作用。

移動設備

亞馬遜的Kindle Fire HDX 7及曲面電視QH8800S-CUD，都已走進我們的日常生活當中。尤其TCL量子材料曲面電視實現了高達110%的超高色域，一舉打破了LED電視產業十多年來的色域瓶頸，有力證明了量子材料技術對各個產業的巨大顛覆力。

此外京東方等半導體顯示企業，看中量子材料技術為液晶顯示器所帶來的高色域，已全面展開對量子材料背光等相關技術的研究，並推出多項產品。蘋果也在去年申請了一項對量子材料顯示技術研究的相關專利。蘋果未來的產品或採用量子材料顯示技術，提升視網膜顯示屏的色彩精度、改善圖像質量，為其產品帶來新的競爭優勢。

新能源領域

2010年富士通等成立的風險企業“QDLaser”與東京大學合作量產了面向光通信市場的量子雷射器。量子雷射器比傳統雷射器的耗電量小，相對於光輸出溫度變化的穩定性高。

2010年代套用於太陽能電池的開發活躍起來。如果在太陽能電池單元上採用量子材料，就可以使用原來無法利用的波長。也就是說，能夠製造效率非常高的太陽能電池。

2012年東京大學利用基於量子的中間能帶方式太陽能電池單元證實，單元轉換效率高達20%以上。

2013年日本物質材料研究機構（NIMS）也在中間能帶方式的量子型太陽能電池單元上成功採用了以前難以使用的450～750nm區域的波長。

通信技術

量子還能夠套用於量子計算機及量子加密通信等新一代信息處理和通信技術。

2011年10月，中國在國際上首次成功實現百公里內量子實現信息傳輸，這為中國發射全球首顆“量子通信衛星”奠定技術基礎。

2013年11月19日香港《大公報》刊文稱，為防止信息被竊聽的最有效方法是進行加密，中國在量子通信領域已經走在世界前列，並在潛艇上先行先試，深海保密通信取得了成功。

2014年2月日本東京大學採用GaN類納米線量子，成功地在室溫下生成了單一光子。單一光子源是實現在單個光子上承載信息的信息處理（量子信息處理）的重要元件之一。

發展歷程

量子材料領域的發端，大約在70年代末。當時，西方國家的化學家受石油危機的影響，想尋找新一代能利用太陽能的光催化和光電轉換系統。借鑑半導體太陽能電池的原理，化學家們開始嘗試著在溶液中製備半導體小晶體，並研究它們的光電性質。有代表性的人物，包括美國的bard和brus、前蘇聯的ekimov、德國的henglein等。

從80年代開始，生物學家對量子材料也產生了濃厚的興趣。在經過多年的研發之後，量子材料製備技術得到不斷提高。當它1998年第一次被作為生物螢光標記，套用於活細胞體系時，量子材料的研究熱潮被全面引爆，從電子與光學擴充到了生命科學領域。

目前，國內彭笑剛課題組合成了一種適合於LED的量子發光材料，與浙江大學金一政課題組合作做成了新型的量子發光二極體。同時精巧地設計了結構，讓電子減緩“步伐”，空穴則加快腳步，促成電子與空穴的有效相會，大大提升了量子發光二極體的高效率發光性能和穩定性，以達到最大的電光轉換效率。

最新進展

國外：

麻省理工學院化學教授Lester Wolfe及研究人員正在利用超薄量子材料的穩定性及高達9%的超高太陽能轉化率製造太陽能電池；

東京大學研究人員採用GaN類量子材料使單一光子源在室溫下工作，向能發揮飛躍性計算能力的量子計算機的實用化邁出了第一步；

奧地利因斯布魯克大學的科學家藉助微型半導體結構，用雷射照射量子材料首次獲得了成對的光子，推動量子材料套用的發展。

國內：

清華大學的博士生導師、前麻省理工學院博士後鮑捷以及麻省理工學院化學教授莫吉·巴旺迪正在利用膠體量子材料克服微型光譜儀的設計局限；

中國航天科工集團將建立雷射產業技術研究院，致力於開展外延片、量子材料雷射器和雷射器泵浦源晶片的研發生產；

南京工業大學機械學院的碩士研究生王豪傑則利用微型化工廠進行批量合成納米材料半導體量子材料，成為國際上首例；

中國科學技術大學郭國平研究組刷新單電子電晶體量子運算速度世界紀錄，將原世界紀錄提高近百倍，為實現基於半導體的“量子計算機”邁出重要一步。