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量子点：现状、机遇和挑战（二）

2020.6.08

从发端到热潮

量子点领域的发端，大约在70年代末。当时，西方国家的化学家受石油危机的影响，想寻找新一代能利用太阳能的光催化和光电转换系统。借鉴半导体太阳能电池的原理，化学家们开始尝试着在溶液中制备半导体小晶体，并研究它们的光电性质。有代表性的人物，包括美国的BARD和BRU、前苏联的Ekimov、德国的HENGLEIN等。

在实验室里，他们发现了一个非常奇怪的现象。比如，硫化铅的大块单晶总是大家熟悉的黑色，但是，化学家在溶液中做出来的纳米晶体颜色各不一样，有的黄、有的红、有的黑，有的甚至没有颜色。到底发生了什么奇怪的事情？

最后，美国科学家BRUS前苏联的E-FROS给出了一个漂亮的解释，这就是“量子限域效应”理论。他们俩的文章发表时间有些差，但由于前苏联的隔离，彼此并不知道对方的工作。

目前为止，这个领域还是化学家在起主导作用，合成出性能达到要求的量子点还是该领域最关键的事情。1990年以前，合成方法都是基于传统的制备胶体小粒子的化学方法，例如共沉淀、微乳液、胶束等。这些方法能够在一定程度上把尺寸控制在要求的范围内，但光学性能非常差，基本上不发光。

量子点研究在1990年到1993年之间发生了一件非常重要的事情，出现了一种新的合成方法，叫“金属有机-配位溶剂-高温”路线，这个方法以具有高毒性、非常不稳定的二甲基镉作为镉源，在高温（300摄氏度左右）、有机配位溶剂中合成高质量硒化镉。这一方法，最早是Brus和Stigwald在贝尔实验室发明，并于1990年发表了第一篇文章。因为该文描述非常简单，所以没有形成影响。后来，Brus博士后Bawendi去MIT任教，带领他的学生认认真真把它系统化，最后变成了一个可以重复的合成反应。这个成型的反应于1993年发表在《美国化学会会志》上，从此使得高质量硒化镉量子点成为可能。90年代后期，我在加州大学伯克利分校时，改进了该方法，其中的一部分工作发表在《自然》上。但是，我认为自己的这些工作（包括发表在《自然》的文章）远没有前面两篇工作重要。当前大家都很看重Nature、Sci-ence，但过度解读发表杂志表现的是“外行看热闹，内行看门道”。

1990年和1993年的两篇奠基性工作，对于整个领域具有里程碑式意义。但是，这同时也给领域留下来一个挑战。他们用的原料，是从“金属有机气相沉积“借鉴而来，其中的二甲基镉是爆炸性的，即使是室温也不稳定，其毒性很大，成本很高。这些因素，导致在后来10年间，这个领域发展并不快，而且只能做一种材料。

后来我到了阿肯色大学，我们找到了一种“绿色”有机溶剂路线，这个方法的价值在于，让量子点的简便合成走进了在全世界的实验室。只要有一个普通的化学合成实验室就可以做，在中国也可以做。进一步地，我们系统探索了量子点生长机理，使得相对高质量的量子点的范围也逐步扩大到其它种类半导体。由于这些原因，这条“绿色“路线很快在全世界推广（包括工业界和学术界），这也就在一个方面造成了我们发表的工作得到了较高的引用率。

现在回过头去看，MIT和贝尔实验室的方法的基本想法并不对。实际上，我们后来证明“金属有机-配位溶剂-高温”路线的三个因素都不是真正要素。相反，我们最近在浙江大学的实验结果表明，在相对温和的条件下做量子点合成会做得更好。那么，是不是“金属有机-配位溶剂-高温”路线是弯路呢？

我认为，科学研究分两类，分别是“前瞻性探索”和“系统性攻关”。上述贝尔实验室1990年的工作，就是典型的前瞻性探索，我们实验室在本世纪的工作则更接近系统性攻关，而MIT的工作则处于承上启下的作用。科学研究面对的未知世界、不像考试一样有标准答案。因此，我们既不能否定前瞻性探索、也不应该看不起系统性攻关。目前中国科学研究有过于看重前者的倾向，对科学热点过于关注。

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周锦帆