文／簡麗賢　

新聞報導了諾貝爾化學獎主題「量子點（quantum dots）的發現與合成」後，幾個學生立即詢問：「什麼是量子點？量子效應又是什麼？」、「為什麼量子點為奈米科技增添色彩？」大哉問！望著求知若渴的學生，適時回饋。

奈米（nanometer）是科學的學術名詞，是長度單位，10億分之1公尺，非常小，「奈米科技」是指運用奈米級尺寸的科技應用。1959年，被尊稱「奈米科技之父」的諾貝爾物理學獎得主理查費曼（Richard Feynman）提出創見：「如果有一天，我們能把一整部百科全書的資料存放在一根針大小的空間，對於科技會帶來怎樣的衝擊？如果能夠移動原子，將有令人振奮的新發現。」這是「奈米科技」最初的思惟。

物理特性 微觀概念



「量子」（quantum）二字有些抽象，雖然有「子」，但量子卻不是我們印象中，具有質量且摸得著、看得到的粒子；量子是一種概念，是微觀世界描述光子或電子的各種物理特性或狀態，例如能量。量子的概念是由物理學家普朗克（Max Planck）為解釋當時黑體輻射遇到的困境，提出一個物理量存在最小且不可分割的基本單位，稱此物理量是量子化，例如能量量子化。

量子點是具有量子效應的奈米尺寸晶體，概念與量子力學的能階躍遷有關，可說讓材料在奈米尺度的量子領域中獲得新生，為奈米科技增添色彩。

量子效應

影響特性



量子效應是指「量子尺寸效應」，當材料的尺寸縮減至幾奈米或接近一個原子大小（0.1奈米）時，內部的電子空間縮小，受到運動範圍的限制而無法自由移動，因此產生特殊行為，會改變材料的光電性質，也影響外在的顏色，亦即尺寸差異產生不同顏色，接受光照射時可發出色光，其顏色視粒子尺寸而定，尺寸較大的量子點會發出紅光，較小者則發出藍光。科學家稱此具有量子效應的奈米晶體為「量子點」，只要材料尺寸縮小至幾奈米，即可能產生量子效應，改變原有的材料特性。例如，水是純物質，在一大氣壓時，其沸點接近100℃，若將水變成幾奈米的晶體，會改變水原先的物理性質，沸點可能升高，水因而出現不同的特性，水的量子點特性可能迥異於我們熟悉的水。

奈米材料 高效放光



當粒子縮小時，為何呈現量子效應？為何影響量子點的光學特性？為何顏色會變化？原因是量子點內部電子受到空間局限有關，奈米粒子較大，電子物質波的空間也較大。物質皆由原子組成，可將電子存在於原子內的能量狀態，視為如階梯般的「能階」，成千上萬的原子，組成的物質具有眾多能階聚集而成的能帶，電子在能量高低不同的能帶會有能量間隙。若外加通電，電子獲得足夠能量後，就能躍遷到更高的能階，產生導電。電子躍遷後也會再返回較低能階，同時放出電磁波而釋放能量，此時釋放的光波長落在可見光範圍，我們可看到半導體材料發光。

量子點組成奈米材料，可發出非常亮的色光，增添奈米科技的色彩，幫助開發半導體電子元件，提升發光二極體（LED）的光源效率，亦應用於切除腫瘤組織等醫療。此外，邇來科技發展量子點發光二極體（Quantum Dot LED）顯示器，即應用極小的量子點，達到極佳放光效率，因不同尺寸大小的量子點能產生不同顏色的單色光，故QLED（量子點電視）能讓螢幕的顏色更寬廣，畫面更多彩且清晰。