因“发现和合成量子点”方面的重要贡献，美国的三位科学家被共同授予2023年诺贝尔化学奖。最近几十年来，量子点技术以迅猛的发展态势在众多科研领域中占据了举足轻重的地位。随着不同种类量子化材料的相继涌现，其优异的光电性质使得它们在传感、光催化、生物医学、记忆存储、光电子学、量子密码学和自旋电子学等领域有着十分重要的应用。在其广泛普及和大规模商业化之前，有效地操控和优化其光学性质尤为关键。为此，本文全面介绍了半导体量子点以及金属团簇的发展历程和合成策略，重点分析了它们结构尺寸、组成、形状和界面依赖的光学特性，并介绍了它们与金属纳米材料之间异质结引起的发光增强和电荷分离，以及新兴手性量子点的最新进展和创新应用。最后，对量子点领域所面临的机遇与挑战进行了展望。

量子点（QDs）通常是指尺寸小于10纳米，具有显著量子尺寸效应的零维纳米材料。随着尺寸、组成、形状和界面配体的优化，量子点表现出一系列新的优异特性，如可调的带隙、增强的光致发光、加快的电子迁移率等。通过对量子点光学性质的精确调控，能有效的改善它们的应用性能并拓展其应用领域。为了加速高性能量子点的开发，最近天津大学关贵俭&韩明勇教授课题组在Nano Research上发表了综述文章，主要内容包括：

（1）追溯了量子点的发展历程，并介绍了其中里程碑式的研究和重要发现，强调了它们在量子点技术发展过程中的重要意义。

（2）介绍了四种不同种类量子点材料（半导体量子点，钙钛矿量子点，碳量子点以及金属纳米团簇）的有效合成策略和优异的光学性质。

（3）重点阐述了量子点材料的结构尺寸、组成、形状和界面配体对它们光学特性产生的影响，据此总结出最佳的设计思路，有效促进了性能优异量子点的综合开发和利用。

（4）展示了半导体量子点与金属纳米材料之间异质结引起的发光增强和电荷分离，以及它们在发光和催化过程中的增强作用。

（5）总结了新兴的手性量子点材料，包括它们有趣的偏振特性以及在手性器件、生物医药方面的应用。

与块状材料和纳米粒子不同，量子点在三维空间中由于量子限域效应而表现出优异的光学性能（图2），包括：（1）优异的光致发光特性，可以通过控制其尺寸、组成以及其他参数来实现发射波长的调节（从紫外、可见光范围一直到红外区域）；（2）接近100%的光致发光量子产率；（3）宽的吸收范围和窄的发射光谱；（4）长的荧光寿命；（5）界面调控的光学特性。

通过“自上而下”和“自下而上”对量子点材料的合成策略进行介绍。例如，半导体QDs的合成方法包括经典的热注射法，以及脉冲激光烧蚀法。钙钛矿QDs的合成方法包括热注射法、配体辅助再沉淀法等，以及球磨法（如图3(a),3(b)）。碳QDs的合成方法包括溶剂热法和电化学剥离法等（如图3(c),3(d)）。金属纳米团簇的制备方法主要包括液相还原法和配体刻蚀法。

通过控制和设计量子点的结构，包括晶体结构和形态结构，可以显著改善量子点的光学性能。如图4所示，通过调控核壳量子点的能级排布能有效优化量子点的光致发光量子产率，调节其荧光发射位置，并有效抑制荧光闪烁现象，提高材料的发射稳定性。此外，核壳结构产生的不对称应力对于量子点的光学性能也会产生影响。

量子点材料的尺寸变化对于其光学特性产生巨大影响，直接体现在其带隙的变化。量子点尺寸越小，其能带从连续能级向离散能级转变，带隙随之变宽。带隙的变化也直接影响量子点材料的吸收和发射光谱特征，尺寸越小，吸收峰和发射峰位置蓝移（图5）。同时，随着量子点在合成过程中尺寸不断变大，其光致发光量子产率（PLQY）先增大后减小，此外，量子点的尺寸对于其荧光寿命也有着一定的影响。

除了结构尺寸之外，组成成分在量子点光学性质方面也起着关键作用，不同成分的量子点展现出不同的光学特性（图6）。组成成分的优化可以通过合金化和元素掺杂来实现。合金工程可以有效地减少或消除量子点核壳之间晶格不匹配导致的界面缺陷，从而优化量子点的光学性能；元素掺杂是一种广泛使用的纳米晶结构调制策略，可以有效地改变纳米晶体的电子结构，优化纳米晶体的光学性能（图7(a)-7(c)）。消除界面缺陷的方法除了包覆宽带隙的壳层之外，采用合适的配体对量子点的界面缺陷进行钝化也是一种有效的途径。如图7(d),7(e)，X型配体和Z型配体能极大的消除表面缺陷状态，增强量子点材料的发光性能。

金属NCs的光学性能取决于其固有结构的振动和旋转行为以及对外界环境干扰的抵抗能力，因此，通过金属NCs的配体工程可以优化其光学性能。金属NCs外层配体的刚化能有效减少配体的振动弛豫，大大提高其发光效率；引入外源分子与金属NCs的界面配体相结合，会导致金属NCs的聚集，形成聚集诱导发光（AIE）过程；在不影响结构的情况下对金属NCs进行配体交换，也能有效调节其发射波长（图8）。

金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振(LSPR)，通过将荧光量子点链接到等离子体纳米颗粒（Au或者Ag）附近，等离子体-激子相互作用可以有效地放大量子点发射体的荧光强度（图9）。而当金属与半导体的直接接触可以有效地将电子从半导体转移到金属上，实现电荷的有效分离。因此，半导体量子点和金属纳米材料形成的异质结可以应用到发光和催化领域。

手性量子点结合了纳米材料的制备可调性以及独特的手性光学，最近引起了人们的广泛关注。一方面，量子点的手性是由外层的结构性手性变形引起的；另一方面，手性来源于手性结合分子与半导体量子点之间的电子相互作用。手性量子点的独特性质使得其在圆偏振发光、手性传感、量子器件、生物医学和不对称催化等方面有着巨大的应用前景（图10和11）。

量子点光学性能的优化与精进已经成为满足现代跨学科领域中多样化应用场景的关键所在，它们对推动多学科交叉融合、实现更高效、更精准的技术应用具有重大意义。通过对量子化纳米材料的结构、尺寸、组成、形状以及界面状态进行多方面控制，可以获得具有特定光学性能的量子点材料，应用于发光器件，光学成像，信息防伪以及生物医药等领域。经过多年来不懈的探索与研究，量子点在高效合成、特性定制以及应用开发等多个方面均取得了显著且令人振奋的进展。

基于量子点技术的研究现状，其未来的发展面临着如下机遇与挑战：1. 镉基或铅基量子点因其优异的光学性能得到了广泛的研究，但其较高的生物毒性限制了其实际应用。未来的研究重点将是开发环境友好、低成本、反应温和且能批量生产性能优异量子点的高效方法。2. 对于碳量子点，由于其结构的高度可变性，温度和反应物比例等反应条件的细微变化可能导致其光学性质的显著变化。然而，我们目前对推动这些进步的潜在机制仍然揭示不足。在分子水平上深入研究导致这些光学性质差异的尺寸、结构、组成和其他因素的复杂相互作用是未来研究的有效手段。3. 量子点的光学性质可以通过表面功能化和配体修饰有效地调谐，配体的独特性质为量子点开辟了新的应用领域。如手性配体与量子点表面的相互作用导致了手性光学活性，在生物医学、信息器件等领域具有广阔的应用前景。进一步探索量子点的界面化学对于推动量子点技术的创新至关重要。4. 具有窄带隙的近红外发射量子点(如InP)在生物和器件应用方面取得了部分进展。然而，实现长波长的高强度和稳定发射仍然具有挑战性。因此，有必要进一步加深我们对载流子动力学的理解，准确评估激子的精细结构，并分析量子点中非辐射重组的可能起源。

Qin N, Han H, Guan G, et al. Structurally altered size, composition, shape and interface-dependent optical properties of quantized nanomaterials. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6839-3.