2023年諾貝爾化學獎頒發給三位化學家1，巴汶帝(Moungi G. Bawendi)、布魯斯(Louis E. Brus)和艾吉莫夫(Alexei I. Ekimov)。我們簡述獲獎化學家的研究工作內容，化學家Brus和Ekimov在1980年代初期獨立成功地創造出量子點，而在1993年化學家 Bawendi又優化了量子點的製造方法，使量子點的整體效能提高。而他們傑出的研究實質地改變人們的生活，也實際在生活中能見到量子點的蹤影，例如某些品牌顯示器即使用QLED技術，即量子點顯示器，是使用量子點做為顯示器發光材料；其他應用包含太陽能電池上之開發及醫學上作為標示腫瘤位置之應用等，處處都可看到量子點在我們周遭的生活中扮演著重要的角色。
何謂量子點(Quantum Dots)，其實就是一種化學材料，與傳統的材料差別在於其組成的元素及大小不同，其組成成分係由週期表中某些元素所組成之粒子，且通常該料子的粒徑僅介於1至10 nm之間(nm是尺寸單位，指大小只有10-9 公尺)，因此我們又稱之為奈米材料。因此，在定義上量子點係一種半導體奈米結構之材料，又奈米化之材料具有量子侷限效應(Quantum Confinement Effect)，其電子在量子點之能階被量化，並形成能隙(Band Gap)而非連續能階，在量子力學解釋中，只要有方法能改變量子點材料粒徑大小，即可改變材料能隙之大小，進而可調整量子點放射出不同的光，目前在市面上已經可看到各種放射光之量子點(如圖)。
圖一、各種放光之量子點材料。(參考資料1)
量子點的特殊物理性質，其實早在1937年物理學家弗羅利希(Herbert Frohlich)就已經預測到，而從理論中要實現出上述構成量子點材料之要件，可藉由化學合成方法來達成。首先，量子點材料制備方法可藉由化學合成學理(成核-長晶理論)來達成，化學家已經很有經驗知道如何在合成中控制溶液中粒子之大小，使之材料大小整體落於奈米尺寸內；再者，傳統的量子點主要包含週期元素表中主族元素IIB-VIA族或IVA-VIA族等所構成，例如硒化鎘量子點(CdSe)、硫化鉛量子點(PbS)等，雖然該量子點具有高強度、高穩定性等優點，但因含有重金屬元素存在，將造成後續環境污染之問題，進而又發展出其他對環境友善的量子點合成方法，如IIIA-VA族(磷化銦, InP)量子點，因材料組成不具有高毒性之重金屬，因此在未來都具備發展潛力。近年來，無鎘量子點技術(cadmium-free quantum dot)已成為顯示器專利戰之標的，顯示全球各大廠紛紛投資布局於未來循環綠能大方向，期望能先佔市場上無毒、低汙染性量子點材料之先機，勢必未來碳量子點(Carbon Quantum Dots)及矽量子點(Carbon Quantum dots)都可能成為下一世代產業兵家必爭之地。
量子點材料是以物理為理論基礎，並利用化學合成方法實現之人造材料，其具備高度商業化之潛力，也進而改善了人類的生活，因此量子點材料被授予諾貝爾化學獎為實至名歸。其在各領域上均有其相當之應用，例如上述所提及的QLED技術、太陽能電池及生物醫學中生物顯影之應用，也包括雷射技術、藥物傳輸技術(Drug Delivery)應用，甚至量子計算機亦可利用量子點來創造出量子位元(quantum bit)，可見量子點材料在電子、生物、醫療上均有高應用價值。 想更深入了解量子點材料之奧妙，可參考下列英國皇家化學學會(Royal Society of Chemistry，RSC)之相關報導2,3及其他臺灣學者對於此次化學獎之導讀(臺大蔡蘊明教授)4。
參考資料:
1. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/
2. https://www.chemistryworld.com/news/quantum-dots-and-a-bright-future/3008136.article
3. https://www.chemistryworld.com/news/2023-nobel-prize-in-chemistry-goes-to-trio-behind-quantum-dots/4018166.article
4. https://teaching.ch.ntu.edu.tw/nobel/2023?fbclid=IwAR1RCCZDbOROwC_e38XBOiDzcJ2iYl5Hu0Donuc9gt1S104HAOWt-fp6WWU_aem_AYu5JOonnZDE1C__1pbC2M_AVX6WwCxV_ih-Z93FJPRyzuTGTkKD-ad7uXyw4bItkDA&mibextid=Zxz2cZ
https://www.youtube.com/watch?v=vpph2cHx6gk
Source of information:
https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/advanced-chemistryprize2023.pdf