小孫和量子點的偶遇

近日，雙生小孫的專注力逐漸加長，達30秒，已經能跟她們講述繪本了。從小鵪鶉捉迷藏、洗澡水花園、小豬不會飛…等，到最近的超人小螞蟻。書中說：「小螞蟻非常憂鬱，因為他覺得自己太小了！螞蟻爺爺說：但是我們有很漂亮的一對觸角喔！」

「什麼動物最小？」爺爺問

荳荳說是螞蟻。妞妞說不是，是它頭上的一對觸角！

「什麼東西最大？」

妞妞說是爺爺！荳荳說不對，是天空！

爺爺突然吐出一串有字天語：「至大無外，至小無內」

兩對思無邪的眼睛，扭曲成4個問號，拋射過來。因為最近諾貝爾獎陸續公佈，「至小」成為顯學，難怪老僧入定的爺爺也會胡言亂語。

「量子點」獲諾貝爾化學獎

今年諾貝爾物理學獎頒給「阿秒光脈衝的實驗方法」，表彰他們將時間的尺度縮小1000倍，到10的負18次方秒；至於諾貝爾化學獎則頒給巴汶帝、布魯斯及艾吉莫夫三人，他們因「量子點的發現與合成」而獲獎。感覺很物裡的項目，為何頒給化學領域？

首先什麼是量子點？金塊是由金的原子所構成，對於金原子而言，金塊就是至大，若能將金塊的長、寬、高都縮小到數10奈米（1奈米＝10的負9次方米）以內，此大小即稱為量子點，可包含數百個到數萬個金原子。當塊材的尺度改變時，物理性質也會跟著改變。

黃金變身為奈米金，即量子點金，就不再是金黃色了。由於奈米金在空氣中容易聚集回塊材，所以一般保存於溶液中，尺寸小於100奈米的量子點金呈現紅色，大於100奈米的溶液則呈藍紫色，如下圖所示。

圖一、不同尺度的奈米金，呈現不同的顏色。（引用自https://www.lifechem.tw/blog/210104）

接著，那麼小的顆粒到底要怎麼製造？得獎人之一巴汶帝，1993年他的團隊製造高品質的硒化鎘奈米粒子，獲得重大突破，當時他們將要形成奈米晶體的物質，注入經過加熱且精心選擇的溶劑中，準確地注入可產生飽和溶液所需的量，接著，極微小的晶體開始形成。然後，透過動態改變溶液的溫度，成功地製造出特定尺寸的奈米晶體如圖二所示。

圖二、巴汶帝合成不同大小量子點的方法，加熱時間越長，量子點越大。取材自https://teaching.ch.ntu.edu.tw/nobel/2023

由於製備過程中，溶劑幫助晶體獲得光滑均勻的表面，巴汶帝團隊所生產的奈米晶體幾乎是完美的。他們的成果，讓越來越多的科學家有機會探索奈米技術，並開始研究量子點的獨特性質。由此觀之，此諾貝爾獎項頒給化學領域也不為過！隨著研究的推展，各種製備量子點的方法，也如雨後春筍一般，推陳出新。

當然，最初發現氯化銅著色的玻璃，因為氯化銅奈米顆粒的大小不同，會呈現不同顏色的物理學家艾吉莫夫，以及證明奈米顆粒大小改變顏色的特性，就是量子效應的布魯斯，一樣功不可沒，三人同獲殊榮。

量子點尺吋不同，為何會呈現不同顏色？

半導體分子的能階結構，其價帶和傳導帶之間，存有一個能量的間隙（能隙）。當提供特定能量，價帶的電子跳到導電帶中，呈現導體的性質。但沒有能量激發時，它就如同絕緣體。而導體和絕緣體，它們價帶和導電帶能隙之間的關係如圖三所示，前者沒有能隙，電子能自由移動，而後者能隙太大，價帶的電子無法跨越。

圖三、絕緣體、半導體和導體，它們價帶和導電帶之間的能量間隙不同，造成導電的性質不一樣，其中紅色實心圓圈代表電子。取材自https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93

通常塊材半導體（即顆粒遠大於量子點）的能隙是固定的，所以只會呈現出固定的顏色。但是量子點的半導體可就不一樣了，它們的能隙是會改變的，當價帶的電子受到光線的激發躍升到導電帶，留下一個電洞，但在極短時間內電子又會降落和電洞結合放出光線。量子點顆粒越大能隙越小，放出光線的波長就越長，偏向紅光。量子點越小能隙越大，偏向藍光，如圖四的示意圖。

圖四、量子點半導體因為尺寸改變，所產生顏色變化的示意圖，取材自https://teaching.ch.ntu.edu.tw/nobel/2023

前幾年流行OLED電視，又稱有機發光二極體電視，將能發光的有機分子塗在面板上，這種材料能讓電視的每個像素點獨立發光發色，帶來豐富的色彩，和絕佳的黑白對比度。不過缺點也很明顯，一是亮度受限；再來就是有機材料的衰退和烙印問題一直無法克服，因此壽命較短。近年QLED (量子點電視)已成主流，將上述能產生藍光、綠光、紅光的極小量子點鑲嵌在電視面板上，能呈現比OLED電視更細膩的畫素，同時能避免OLED面板烙印及產品壽命較短的先天缺陷。

量子點除了在電視上的應用，在生醫研究以及癌症治療上，經常被用於螢光標記技術，能清晰分辨細胞結構以及癌細胞位置。另外，在新型雷射的開發、量子電腦及半導體產業，量子點材料均具有一席之地。

記得小孫3歲多時，在她們的房間買了一台OLED的電視，安裝人員離開不到半小時，電視螢幕就呈現局部變黑無法顯示色彩，不曉得是頑皮的小孫拿竹棒戳壞的？還是買到瑕疵品？店家願意幫我們換一台，我不好意思，加價買一台QLED，小孫們歪打正著，成了家族第一代的QLED世代。

當然小孫對於「至小無內」的疑問，依然滿頭霧水，但是我相信將來電視螢幕的發展，連載體、量子點都不需要，能無中生有，直接投影在空間中。由是觀之，我現在急著跟她們解釋至小的量子點，不如一起開心的閱讀繪本，享受如愛麗絲夢境一般的奇幻世界！