專家談2023諾貝爾化學獎得主：什麼是「量子點」？從半導體到醫療領域有哪些應用？

2023年諾貝爾化學獎於台灣時間10月4日（三）傍晚公布，專家主本次獎項頒發給發現並合成量子點（Quantum dots）的談諾體蒙吉．G．巴文迪（Moungi G. Bawendi）、路易斯．E．布魯斯（Louis 貝爾半導E. Brus）、阿列克謝．葉基莫夫（Alexei I. Ekimov）三位科學家。化學由於量子點具有量子效應的麼量特性，依據尺寸差異會產生不同顏色，點從因此在光電產業、醫療有應用QLED螢幕、領域甚至是專家主柔性電子材料的範圍上，都有極大的談諾體應用潛力。

圖片來源：Johan Jarnestad/The Royal Swedich Academy of Sciences

此技術自1980年代起逐漸嶄露頭角，然而直到今年才獲頒諾貝爾化學獎。麼量究竟，點從量子點的醫療有應用技術能為全人類科技和生活帶來什麼貢獻？本次，《關鍵評論網》邀請到奈米結構化學方面的專家——國立陽明交通大學應用化學系郭俊宏副教授，說明量子點研究的原理與概念，還有國內外相關的研究成果與故事。

一般人要認識量子點，可以從LED螢幕開始了解

本年度獲獎的量子點技術，與半導體間的關係相當密切。這個名詞乍聽之下有點陌生，但郭教授說明，從一般的生活當中，常見的LED（Light Emitting Diode）螢幕，就包含了跟量子點相關的概念。LED是發光二極體，屬於半導體材料，不同於金屬般具有絕佳的導電性，也和塑膠等絕緣體相去甚遠，透過由外部輸入能量到半導體材料中，如通電、加熱或照射光的情況下，才會產生導電性。

所有的物體都由原子所組成，若將電子存在於原子內的能量狀態比喻成如階梯般的「能階」，則成千上萬的原子所組成的物體將具有由眾多能階聚集而成的能帶，較低能量的能帶有電子填充而稱為價帶，較高能量的能帶通常較沒有電子填充，稱為傳導帶。

半導體的價帶與傳導帶之間有個能量間隙，一般環境的條件下，價帶電子不會得到足夠的能量往上躍遷到傳導帶；若在外加通電的情況下，電子獲得足夠能量後就能攀升到傳導帶中更高的能階，因此產生導電的特性。電子躍遷後，在傳導帶的電子也會再返回價帶的低能階，同時以放光的方式放出能量，而此時放光的波長落在可見光的範圍我們就可以看到半導體材料「發光」，而此過程也稱為電致發光。

在電子回到低能階時，部分能量以放光方式釋放，也有部分能量可能會被材料本身吸收或以熱的形式消耗；此時若材料體積縮小，則能提高放光的效率，降低能量佚失的比例。近年開始發展的QLED（Quantum Dot LED）顯示器，正是利用極小的量子點，達到更高的放光效率。且由於不同尺寸大小的量子點能產生不同顏色的單色光，因此QLED能讓螢幕的顯色達到更廣的色域，使肉眼見到的畫面更加銳利與清晰。

量子點的量子效應，以及醫療領域的應用方向

量子點指的是2奈米到10奈米大小的粒子，在相關領域或業界內，「量子點」絕大多數都是指無機的半導體粒子。由於這些粒子已達奈米尺度的大小，因此會出現量子效應，隨著這些奈米粒子的大小不同，會有不同的放光顏色。