怎样制备量子点的TEM样品

出品：中国科普博览SELF格致论道讲坛

导语：有一种“点”叫量子点，它很小很小，比一千万分之一米还小。日本有位科学家说，当物质小到某个尺度的时候，它就会变“性”，比如绝缘的变得导电、不放光的变得五彩斑斓，量子点就是这样。然而你想象不到的是，这样一种奇异的、微小的“点”，却有可能彻彻底底改变我们的生活。在SELF讲坛上，中科院物理所王霆为你打开量子点的神奇世界。

---嘉宾介绍---

王霆

中国科学院物理研究所副研究员

以下内容由王霆演讲精编而成：

或许你熟悉什么是量子，但量子点究竟是什么东西？

第一，它是一个非常小的原子颗粒，一百纳米尺度以下的原子团簇（即一堆原子）。它的尺度非常小，小于一百纳米。而一百纳米，其实只有一千万分之一米。

第二，它是一个准零维纳米材料，意味着在这样一个空间或者材料体系内，没有任何的自由空间，而要完全不动，它需要小到一个极限(小于原子尺度)。量子点还是个一百纳米的原子团簇，所以只是准零维──接近零维的标准。

量子点它有意思在哪里？

上述两个条件结合产生“量子限域效应”──1961年由日本的久保先生提出──当任何的物质缩减到非常小的一个纳米值时，它的电子能级会由连续的逐渐变成离散型的。

这个离散型到底有什么用？举个简单的例子：你在日常生活中看到的某一个物质它是磁性的，缩到零维这个纳米尺度之后，它可能变成导电的或者变成绝缘的；那一个完全不发光的、黑乎乎的物质，把它缩小到零维空间的时候，它变成了一个发光材料、五彩斑斓。这就是所谓光热电等等一系列的物性──在从三维变成零维结构之后，它相互之间的一个转化。

“量子点”如何呈现不同的色彩？

图中是装有硒化镉量子点的有机溶液（甲苯），这些溶液在自然光下看起来就像白水一样的或者有淡淡的颜色。当我们将这些量子点放在紫外光之后，它就会呈现一个什么不同的色泽。原理是通过分散纳米尺度，不同原子大小、不同尺度的纳米颗粒它就呈现了不同的色泽。大家可以看到这当中的不同的颜色，这就是量子点它奇妙的地方。这也是我们刚才提到的“量子限域效应”。

现在这里有三个标准的颜色──三基色──将这三种不同尺寸的纳米颗粒混在一起，会有什么样的变化？它变成了白色！这也就是白色的led或者这些白光的发光原理。那把三基色（三种不同尺寸的量子点）融合在一起，就成为未来的照明系统，可能会是我们利用的一个方向。

另一个常见的典型──砷化铟量子点

砷化铟量子点被我们大范围的应用到光电通讯当中，用作激光器和探测器的制备。目前所使用的宽带、所有的光纤通讯使用中的探测器和激光器，很大的一个比例都是使用这种量子点完成的，所以它也是推动光通讯的一个非常重要的材料角色。

量子点的三大应用，改变未来生活方式

第一方向是“显示”

可以看到上图当中，将量子点和传统的显示屏结合在一起；下图就是屏幕制作完成之后所呈现的不同的色彩，色彩饱和度极其的高，而且它的功耗很低──也就意味着如果做一个手机屏之后，未来你的电池可能会用两天、会用三天，它有非常好的色泽度、显示度而且功耗非常的低。相信在未来的可能iPhone8或者iPhone8S你可能就会见到这个技术。因为这个专利已经被三星购买了，在开始大幅的量产，所以这是近期量子点最直观的一个应用。

第二个方向是“光通信”──中长段的应用方向

大家可以意识到现在这几年手机、电脑并没有增速，我们都知道我们现在是大数据时代、互联网经济蓬勃生长，大家对数据量的需求（无论从智能手机的发展开始还是人工智能）是非常大的。但是用电子作为芯片、信息载体的这个方式，已经满足不了我们的需求了。我们需要光子──大家都知道光的速度比电要快非常的多，所以我们希望通过光子取代电子，成为新的信息载体。

图中这里，是谷歌的一个数据中心，它目前的数据量达到了五个ZetaByte。我们通常说你拿一个手机16G的，那ZetaByte就是1万亿个G。这样仍然完全没有办法满足我们现在的数据需求量，大部分时候都是超载的。因为所有的数据中心里头大部分的信号处理还是采用电，在用电和电芯片之间采用光互联，电的速度极度抑制了我们信息所能够处理和传输的速度。而我们第一步要做的就是采用光电模块，来大幅的提高数据中心的速度。第二步需要做需要采用光逻辑，以实现一个光的晶体管，如此完全取代我们所有的电子晶体管。大家就会得到一个“光芯片”。最终大范围地实现光芯片的集成，那以后可能大家获得的是光子计算机，而我们希望它能够达到一千亿次每秒的运算速率，会远远超越我们现在所有手机、电脑、iPad当中的电子芯片的运算速率。这会是未来改变人类生活方式的另一项重要的科技。

第三个方向是“量子计算”

如何使用光子去实现量子计算机？就是采用光子作为量子比特。在5月3号的时候，中科大刚刚实现了8量子比特的一个光量子计算机，未来下一步是12量子比特，最终我们会希望在十年内实现一百个量子比特。一百个量子比特的运算速率会达到我们现在全世界运算速率之和的一百万倍。我们可以去计算“实现人工智能”；计算人脑内的这些神经突触和细胞之间是如何沟通、交流的。另外我们可以探索外层空间，可能会彻底地改变地球的面貌。

总而言之，王霆相信在未来的50年到100年微纳光学可能会彻彻底底的改变所有人对信息的认知、对数据的认知以及大家的生活方式。

相似相溶，结构的相似性并不是决定溶解度的唯一原因。分子间作用力的类型和大小相近的物质，往往可以互溶；溶质和溶剂分子的偶极距(即极性关系)相似性也是影响溶解度的因素之一（可以这样理解:极性分子易溶于极性溶剂中，非极性分子易溶于非极性溶剂中)。比如有机物易溶于有机物，不与无机物互溶。这里的苯甲酸钾已经是钾盐了，变成离子无机物了，极性很大，而甲苯还是有机物(甲苯分子的极性很小，可能被近似认为是非极性溶剂)，所以，两者不能互溶，而是分层。密度小者(甲苯0．866克／厘米3)在上层。

苯（Benzene，）是一种碳氢化合物，也是最简单的芳烃。在常温下苯为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯可燃，有毒，也是一种致癌物质。苯是一种石油化工基本原料。苯的产量和生产技术水平是一个国家石油化工业发展水平的标志之一。甲苯则是苯的同系物，亦名“甲基苯”、“苯基甲烷”。

甲苯

甲苯是有机化合物，属芳香烃，结构简式为。甲苯是最简单、最重要的芳烃化合物之一。在空气中，甲苯只能不完全燃烧，火焰呈黄色，具有类似甲苯苯的芳香气味，沸点（常压）110.63℃，熔点-94.99℃。凝固点为-95℃，密度为0.866克／厘立方米。甲苯温度计正是利用了它的凝固点比水银低，可以在高寒地区使用；而它的沸点又比水的沸点高，可以测110.8℃以下的温度。因此从测温范围来看，它优于水银温度计和酒精温度计。另外甲苯比较便宜，故甲苯温度计比水银温度计也便宜。

甲苯在常温常压下是一种无色透明，清澈如水的液体，对光有很强的折射作用（折射率：1.4961）。甲苯几乎不溶于水(0.52克/升)，但可以和二硫化碳、酒精、乙醚以任意比例混溶，在氯仿、丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的黏性为0.6毫帕斯，也就是说它的黏稠性弱于水。甲苯的热值为40.940千焦/千克，闪点为4 ℃，燃点为535 ℃。蒸气和空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1.2%～7.0％（体积）。甲苯溶解溴后，在光照条件下，甲基上的氢原子被溴原子取代（与甲烷相似），而在铁作催化剂条件下，苯基上的氢原子被溴原子取代（与苯相似）；但甲苯分子中存在着甲基和苯基的相互影响，使得甲苯又具有不同于苯和甲烷的性质，如苯环上的取代反应（卤化、硝化等），甲苯比苯容易进行，甲苯分子中的甲基可以被酸性高锰酸钾溶液氧化。

在氧化反应中（如与酸性高锰酸钾溶液），甲苯能由苯甲醇、苯甲醛而最终被氧化为苯甲酸。甲苯主要能进行自由基取代、亲电子取代和自由基加成反应。亲核反应则较少发生。 在受热或光辐射条件下，甲苯可以和某些反应物(如溴）在甲基上进行自由基取代反应。 甲苯与硝酸发生取代反应生成三硝基甲苯(TNT)。

甲苯不溶于水，但溶于乙醇和苯的溶剂中。甲苯容易发生氯化，生成苯—氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它可以萃取溴水中的溴，但不能和溴水反应；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料；1份甲苯和3份硝酸硝化，可得到三硝基甲苯（俗名TNT）。甲苯的蒸汽与空气混合形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。

烟草种植

甲苯是石油的次要成分之一。在煤焦油轻油（主要成分为苯）中，甲苯占15%~20%。我们周围环境中的甲苯主要来自重型卡车所排的尾气（因为甲苯是汽油的成分之一）。许多有机物在不完全燃烧后会产生少量甲苯，最常见的如：烟草。大气层内的甲苯和苯一样，在一段时间后会由空气中的氢氧自由基（OH*)完全分解。

甲苯与苯的性质很相似，是工业上应用很广的原料。但其蒸汽有毒，可以通过呼吸道对人体造成危害，使用和生产时要防止它进入呼吸器官。

甲苯主要由原油经石油化工过程而制成。作为溶剂它用于油类、树脂、天然橡胶、合成橡胶、煤焦油、沥青、醋酸纤维素，也作为溶剂用于纤维素油漆和清漆以及用为照相制版、墨水的溶剂。甲苯也是有机合成，特别是氯化苯酰、苯基、糖精、三硝基甲苯和许多染料等有机合成的主要原料。它也是飞机和汽车汽油的一种成分。

甲苯具有挥发性，在环境中比较不易发生反应。由于空气的运动使其广泛分布在环境中，并且通过雨和从水表面的蒸发使其在空气和水体之间不断地再循环，最终可能因生物的和微生物的氧化而被降解。对世界上很多城市空气中的平均浓度进行汇总，结果表明甲苯浓度通常为112.5～150毫克/立方米，这主要来自于汽油有关的排放（汽车废气、汽油加工），也来自于工业活动所造成的溶剂损失和排放。

甲苯是基本有机原料之一，大量由于提高辛烷值汽油组分和多种用途的溶剂。从甲苯中可以衍生出许多种化工原料，例如：苯、二甲苯、苯甲酸、甲苯二异氰酸脂、氯化甲苯、甲酚和对甲苯磺酸等。这些原料可进一步制造合成纤维、塑料、炸药和染料等。

甲苯也是重要的化工原料。危险特性：易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。遇明火、高热极易燃烧爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。流速过快，容易产生和积聚静电。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。 甲苯又是燃料的重要成分。使用甲苯的工厂、加油站，汽车尾气是主要污染源。城市空气中的甲苯，主要来自于汽油有关的排放及工业活动造成的溶剂损失和排放。贮运过程中的意外事故是甲苯的又一个污染源。甲苯能被强氧化剂氧化。

甲苯为一级易燃物，其蒸气与空气的混合物具爆炸性。发生爆炸起火时，冒出黑烟，火焰沿地面扩散。进入起火现场，眼睛会流泪且与咽喉皆感刺痛、发痒，并可闻到特殊的芳香气味。

进入人体的甲苯，可迅速排出体外。甲苯易挥发，在环境中比较稳定，不易发生反应。由于空气的运动，使其广泛分布在环境中。水中的甲苯可迅速挥发至大气中。甲苯毒性小于苯，但刺激症状比苯严重，吸入会出现咽喉刺痛感、发痒和灼烧感；刺激眼黏膜，会引起流泪、发红、充血；溅在皮肤上局部会出现发红、刺痛及疱疹等。重度甲苯中毒后，或呈兴奋状：躁动不安，哭笑无常；或呈压抑状：嗜睡，木僵等，严重的会出现虚脱、昏迷。甲苯微溶于水，当倾倒入水中时，可漂浮在水面，或呈油状分布在水面，会引起鱼类及其他水生生物的死亡。受污染水体散发出苯系物特有刺鼻气味。

相似相溶原理

定义：对于结构相似的一类固体溶质，其熔点愈低，则其分子间作用力愈小，也就愈接近于液体，因此在液体中的溶解度也愈大。

解释：

1．极性溶剂（如水）易溶解极性物质（离子晶体、分子晶体中的极性物质如强酸等）；

2．非极性溶剂（如苯、汽油、四氯化碳等）能溶解非极性物质（大多数有机物、Br2、I2等）

3．含有相同官能团的物质互溶，如水中含羟基（—OH）能溶解含有羟基的醇、酚、羧酸。

4、一般情况，可简记极性相似，便可相溶。

苯是结构完全对称的非极性分子,甲苯相当于甲基取代了苯环上的一个氢原子,这导致了其结构上的不对称性,所以甲苯是极性分子.只不过由于甲基较小,由此引起的极性非常弱,所以有时人们又近似地把它说成是非极性分子，这就导致了甲苯极微溶于水。

无色澄清液体。有苯样气味。有强折光性。能与乙醇、 乙醚、丙酮、氯仿、二硫化碳和冰乙酸混溶，极微溶于水。相对密度 0.866。凝固点-95℃。沸点110.6℃。折光率 1.4967。闪点（闭杯） 4.4℃。易燃。蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限 1.2%～7.0%（体积）。低毒，半数致死量（大鼠，经口）5000mg/kg。高浓度气体有麻醉性。有刺激性。

化学性质活泼，与苯相像。可进行氧化、磺化、硝化和歧化反应，以及侧链氯化反应。甲苯能被氧化成苯甲酸。[