科技资讯写作大赛｜Natl.Sci.Rev.专题|量子物理与量子点器件（特邀编辑牛智川）

材料人首届科技资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我），受到读者们的广泛关注。本文为大赛第二篇参赛作品，由SCI期刊National Science Review（影响因子8.0）投稿。

在过去的三十年里，量子点已经从一个有趣的理论概念发展为现实设备器件技术中的一种重要结构。《National Science Review》2017年第2期出版了关于量子物理与量子点器件的前沿进展专题，敬请收阅，点击下载专题全文。

1. 特邀编辑：量子点专题序言

量子点具有独特的材料结构，其载流子被限制在三维的空间内，通过控制量子点的尺寸可以利用量子效应改变其固有性质。量子点引入了一种基础量子物理量子工程的新形式，并成就了其在量子器件中的应用。在过去的30年中，得益于在原子和分子水平上精确控制材料的尺寸、组成和厚度等方面制备技术的发展，量子点已经开始推动了从一种有趣的理论设想到器件科技中具有实际重要性的结构的进步。当连续的能带结构变为离散之后，由于电子和空穴的量子限域效应，因此人们对量子点的功能或更好的性能期望很高。

量子点这一研究领域已经成为几十年间基础研究的热门议题，近年来，其已经应用到了不同的领域之中：量子网络、量子光源、发光二极管、太阳能电池、显示器以及光学生物标记等等。很多工业领域已经涉及到了量子点器件技术的发展，同时将在这一领域开辟市场。此外，量子物理与电化学和催化领域的联系为电化学器件未来的研究和应用提供了新的方向，电化学器件同样可以作为光学和电学器件，并且和量子点器件一样将会取得同样的成功。

来自中国科学院半导体研究所的牛智川研究员作为本期的特邀编辑，对量子物理和量子点及其器件作了总结，并对本专题的主要内容进行了简要介绍。

牛智川

文献链接：Preface to the special topic on quantum dots（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI：10.1093/nsr/nwx020 ）

2. 研究亮点：向着量子网络迈进

量子网络被誉为是下一代的量子技术。在过去的十年间，像量子点这种单一的量子系统在研究的深度和技术层面的发展已经成熟。因此，考虑将不同的系统结合起来构筑为量子网络（尤其是混合起来）正当其时。此外，量子网络在完成一般的量子任务（需要不同种类量子单元进行配合）时是十分必要的。在更大的尺度上，本地的量子网络可以进一步连接构筑为全球的量子网络，可称作量子互联网。随着这一技术的即将到来以及分布式量子计算的实现，在多个位置远距离促成大规模的量子信息处理是有可能的。

来自中国科技大学的李传锋教授（通讯作者）等人对量子网络的相关情况进行了介绍，并展望了其发展前景。

李传锋

文献链接：Towards a quantum network（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI：10.1093/nsr/nww051 ）

3. 综述：胶体量子点的表面及高性能发光二极管的器件结构工程

近年来，由于胶体量子点具有诸如尺寸依赖的发光波长、尖锐的发射峰以及较高的发光量子产率的特性，因此在发光器件中的应用已经吸引了研究者极大的关注。研究者在探索量子点在发光二极管（LEDs）和光转换器等发光领域的应用付出了极大努力。量子点基发光二极管（QD-LEDs）的性能伴随着量子点制备、表面配位工程和器件结构优化的进步已经在近十年来逐渐快速发展起来。最近，红色量子点发光二极管的外量子效率已经超过了20.5%，同时其稳定性高、发光峰较窄。

来自上海科技大学的宁志军助理教授（通讯作者）等人总结了近期QD-LEDs的研究进展，重点关注了量子点表面工程和器件结构的优化。

宁志军

文献链接：Colloidal quantum-dots surface and device structure engineering for high-performance light-emitting diodes（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI：10.1093/nsr/nww097）

4. 综述：InN/InGaN量子点电化学器件：解决能源及健康问题的新方法

外延InN/InGaN量子点（QDs）表现出了突出的电化学性能，并已经应用在了分解水太阳能产氢的光电极、生物传感器的换能器、阴离子选择性电极以及超级电容器的电极中。其性能已经成为了其他已报道具有最好性能的材料和纳米器件的基准。基于表面和量子特性间相互作用的模型，并结合电化学和催化反应可以更深入地理解催化性能的增强及阴离子选择性与量子结构间的联系。在没有任何缓冲层存在的条件下直接在Si衬底上生长量子点也是同样重要的，这可以结合新型器件的设计和Si科技的发展。这就使得InN/InGaN量子点成为了可能，并开辟了III-氮半导体新的应用领域。

来自华南师范大学的Richard Nötzel教授（通讯作者）对InN/InGaN量子点的发展及应用进行了详细叙述。

Richard Nötzel

文献链接：InN/InGaN quantum dot electrochemical devices: new solutions for energy and health（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI：10.1093/nsr/nww101）

5. 综述：将自组织半导体量子点修饰晶面的GaAs纳米线用于单光子发射

本文利用Ga液滴诱导的无金气-液-固方法生长得到了核-壳六方的GaAs/AlGaAs纳米线，并以GaAs纳米线作为分支，在纳米线的晶面上裁剪出了纳米结构的形貌。同时还得到了两种新型的纳米线内量子点（QD-in-NW）系统：一种是在枝状GaAs纳米线的角落处形成单个的InAs量子点；另一种是在纳米线的晶面上形成单个的GaAs量子点。当两光子发射的可能性消失时，可以观察到尖锐的激子发射峰谱线。实验还进一步在纳米线晶面上的单个AlGaAs量子环（QR）处得到了单个的GaAs量子点。此外，对基于纳米线的单个量子点进行了原位探测，并整合单模光纤得到了全光纤输出单光子源，其在量子集成网络中具有潜在应用价值。

来自中科院半导体研究所的牛智川研究员（通讯作者）等人讨论了自组织量子点（QDs）在GaAs纳米线上的外延生长及其单光子发射的表征。

牛智川

文献链接：Self-assembled semiconductor quantum dots decorating the facets of GaAs nanowire for single-photon emission（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI ：10.1093/nsr/nwx042）

6. 专访Dieter Bimberg教授和王康教授：从实验室到市场的物质量子工程

量子点引入了一种基于单纯的尺寸和纬度材料特性的量子工程的新形式。然而，传统的认识中材料的固有属性有强度、电导率以及光的吸收或发射谱，这些都与其组成和原子尺度的结构有关，当材料的尺寸变得很小时，这些特性就会被量子力学效应所改变。例如，量子波函数的限域效应会决定电子等电荷载流子的能量。

NSR与量子工程领域的两位领军人物在量子点的发展和展望方面进行了对话。

Dieter Bimberg教授来自德国柏林工业大学纳米光子学中心，其致力于量子点在诸如激光和光学放大器等光子器件中的应用，同时发展了非易失性动态随机存取存储器（DRAMs），其在断电时其仍能保存储存的信息。

王康教授来自加州大学洛杉矶分校电气工程系，其从事纳米尺度量子器件的研究，并主要关注电子和磁学特性，尤其是在非易失性RAMs的发展方面，通过控制电子自旋可以作为信息处理中新的纬度（即自旋电子学）。

Dieter Bimberg

王康

文献链接：Quantum engineering of matter from the laboratory to the market: an interview with Dieter Bimberg and Kang Wang（Natl. Sci. Rev.，2017，DOI ：10.1093/nsr/nww067）

牛智川研究员简介
 
中科院半导体所物理学博士、中科院“百人计划”入选者、“国家杰出青年科学基金”获得者、“新世纪百千万人才工程国家级人选（首批）”、“国务院政府特殊津贴”获得者、国家973重大科学研究计划首席科学家、中国科学院大学-材料学院首席教授、“2011量子信息与量子科技前沿协同创新中心”-量子材料与量子器件研究部主任、中科院“量子信息与量子科技卓越创新中心”核心骨干、中科院半导体所“锑化物窄带隙半导体研究中心”主任、国科大材料与光电技术学院首席教授-半导体量子光电子学教研室主任。主要从事半导体低维（量子阱、量子线。量子点、超晶格等）异质结构外延生长、受限光电子体系量子物理效应、高性能光电器件和量子信息器件制备等研究。曾获国家自然科学二等奖、北京市科学技术二等奖等。

National Science Review为中国第一份英文版综述性学术期刊，定位于一份具有战略性、导向性的综述期刊，致力于全面展示中国各科学领域的代表性研究成果，追踪报道重大科技事件，深度解读热点研究和重要科技政策等。于2014年3月正式出版，2016年NSR创刊以来的首个SCI影响因子达到8.0，位于63种多学科综合类期刊的第5名。本刊发表的所有论文全文可以在线免费阅读和下载。

本文由本文由National Science Review编辑部投稿，材料人电子电工学术组大城小爱整理编辑。材料人网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

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