2026年5月27日——荣获2023年诺贝尔化学奖的纳米晶体揭示了一项意想不到的特性。特温特大学的研究人员发现，量子点纳米晶体上的分子涂层会产生内部电场。根据所使用的涂层不同，这些电场会使光输出速度降低八倍。这项发表在《物理化学期刊C》上的研究结果，在硅光子学和单分子电场传感领域具有潜在应用价值。

量子点已经无处不在。它们为QLED电视带来鲜艳的色彩，并帮助太阳能电池更高效地将阳光转化为电能。在所有这些应用中，控制量子点的发光量至关重要。量子点是直径仅有几纳米的半导体纳米晶体。它们足够小，以至于其行为由量子力学效应决定。它们发出的光颜色取决于其大小：较小的量子点发蓝光，较大的则发红光。这种尺寸可调的发光特性，正是蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫获得2023年诺贝尔化学奖的原因。此前，人们认为这种控制主要来自纳米晶体的尺寸。这项研究表明，表面涂层同样是一个强大的调节手段。它改变了量子点的应用方式。

将发光器集成到硅芯片中

本研究中的量子点发射近红外光，人眼不可见，但对电信和硅基光学系统至关重要。它们的表面覆盖着名为配位体的分子涂层，这能防止纳米晶体在溶液中聚集。这项研究揭示的是，配位体的作用远不止稳定。某些配位体会在纳米晶体内部产生电场，干扰发光过程。这被称为量子受限斯塔克效应，此前在可见光波段的量子点中观察到过，但在近红外波段未曾发现。该发现对硅光子学尤其重要。将发光器集成到硅芯片中长期是一个瓶颈。量子点是一个有希望的候选方案，而了解如何通过表面化学调控其发光，使这种集成更进一步。

涂层改变了一切

研究团队检查了不同尺寸和两种不同表面涂层的量子点：油酸和聚乙二醇。涂有油酸的量子点表现符合预期，其发光率随粒子尺寸按规律变化。涂有PEG的量子点则表现出不同情况。在较小尺寸时，涂有PEG的量子点发射光子速度慢达八倍。PEG分子在纳米晶体内部产生了一个微小的电场。这个场干扰了发光过程。

第一作者Andreas Schulz表示：“我们发现量子点上的特殊涂层会产生微小的电场。这些电场改变了我们的测量结果，显示了在研究半导体纳米晶体时表面化学的重要性。”硅芯片也扮演了一个角色。当量子点被放置在硅表面上时，仅仅因为它们所处的材料，其发光率会增加达十倍。

Willem Vos对此充满热情：“我们的结果揭示了在纳米尺度上动态控制光的新途径。这将为光子学界开发下一代超快光调制器、高灵敏度电场传感器以及具有前所未有性能和可调性的先进生物光子器件铺平道路。”

关于研究者

这项研究由特温特大学的Andreas Schulz、Christian Blum、Jurriaan Huskens、Julius Vancso和Willem Vos共同完成。该研究由荷兰研究理事会资助。论文《大直径范围近红外PbS量子点纳米晶体的光子发射》发表在《物理化学期刊C》上。