通过簇前体的有种子与无种子生长制备接近块体尺寸的大型InAs胶体量子点

为什么更大的量子点很重要

从汽车的夜视摄像头到智能手机的人脸识别，许多新兴技术都依赖于检测不可见的红外光。如今，这通常需要昂贵且耗电的半导体芯片。本研究提出了一种更经济且更环保的替代方案：在液相中生长的极小砷化铟晶体，称为量子点，将其做得足够大以至于它们开始表现得近似于普通块体材料，同时仍保留部分量子优势。

为不可见光构建微小晶体

量子点是尺寸足够小以致其颜色和红外响应由尺寸决定的半导体颗粒。对于必须探测深红外的器件（如远程成像或化学传感），量子点需要相对较大。但对砷化铟而言，这一直很困难：这种材料有吸引力的一点是它符合欧洲关于限制铅和汞等有毒元素的法规。但铟与砷之间的化学键既强且挑剔，以往的大多数合成方法只能产生较小颗粒、需要危险试剂或难以精确控制尺寸与均一性。

从稳定的纳米“种子”出发

研究人员通过先在含有铟(I)氯化物和一种相对安全的砷化合物——胺基砷烷的溶液中制备非常小且稳定的砷化铟簇来解决这一问题。这些簇仅几纳米宽，并能吸收可见光。通过调节温度和反应时间，团队可以调控簇的尺寸和光学指纹，并发现这些簇在无氧环境中保存多年仍能保持化学稳定性。进一步加热这些簇会将它们转化为稍大且形态良好的“种子”量子点，其尺寸与晶体结构可通过电子显微镜和X射线衍射精确测量。

逐步生长量子点

有了这些种子后，团队开发了两种生长策略。在有种子方法中，预先制备的种子被悬浮在热溶剂中，同时缓慢注入新鲜的簇溶液。每次注入后混合物在高温下保持一段时间（退火步骤），使从簇中释放出的原子优先附着到现有种子上而不是形成新颗粒。重复这些注入—退火循环可以逐步增大点的尺寸。通过微调注入速率、浓度和退火时间，研究人员制备出形状平滑、不拉长的砷化铟量子点，直径可达约18纳米，其吸收边显著向短波红外移动。

达到近块体粒子尺寸

为进一步推进尺寸，科学家们稀释了种子数量，使每个生长中的点可获得更多物质。这样得到的颗粒约为36纳米，但尺寸分布更宽且形状多样，例如八面体和二十面体。在第二种甚至更引人注目的方法中，他们完全跳过了种子。相反，直接将簇注入热溶剂，先让少量“自然”种子自行形成，然后继续生长。由于更少的种子分配到可用物料，所得颗粒平均直径约为40纳米，有些超过60纳米。在这些尺寸下，颗粒接近或超过砷化铟的所谓激子玻尔半径，这是量子效应开始减弱并使性质更类似块体材料的尺度。

这对未来红外器件的意义

尽管如此大的颗粒不再显示明显的吸收峰，但测量证实它们在中红外波段仍有很强的吸收。重要的是，所有步骤都使用商业可得的前体并避免了臭名昭著的危险砷试剂，使该工艺更可持续且更易于放大生产。作者认为，他们基于簇的逐步生长工具箱为工业化生产不含铅和汞的红外活性量子点打开了大门。这些接近块体的砷化铟颗粒可为下一代探测器、摄像头和通信器件提供基础，使其在更深的黑暗中探测能力更强，同时在制造上更安全、更廉价且更具灵活性。

引用: Salikhova, E., Mews, A., Schlicke, H. et al. Colloidal synthesis of large near-bulk InAs quantum dots through seeded and seedless growth using cluster precursors. Nat Commun 17, 1700 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69409-w

关键词: 砷化铟量子点, 红外成像, 胶体纳米晶体, 有种子生长, 纳米材料合成