科學家通過向量子點摻雜錳元素，成功制備出高亮度磁性材料

這一突破有望改進太陽能技術、實現光學量子比特，并助力構建更先進的農業照明系統。

俄克拉荷馬大學研究人員的重大突破，可能很快為量子點在照明、計算和醫學成像領域開啟新的可能性。該團隊通過將錳元素成功融入量子點晶體結構，實現了對這種微小半導體晶體的磁化——此前業內普遍認為該方法難以實現。

這項發現開創了鈣鈦礦納米材料的新分支，標志著量子點功能設計的重大轉向。

突破“不可摻雜”壁壘

研究聚焦于溴化銫鉛納米顆粒。這類材料已應用于顯示器、LED照明及實驗性能源系統。“將優質磁性摻雜劑錳元素融入溴化銫鉛納米顆粒異常困難，”助理教授董一潼解釋道，“我們的論文詳述了高效穩定的摻雜方法，可謂突破了‘不可摻雜’的局限。”

量子點的尺寸決定其發光顏色，這種可調色特性使其在太陽能電池、醫學成像、通信系統和現代電子設備中極具價值。多年來，研究者因其光學與磁學特性嘗試將錳元素融入量子點，但先前嘗試僅能添加微量元素，始終未達實用水平。

董教授團隊通過移除部分帶正電的銫離子并構建富溴化學環境，成功找到解決方案。當錳離子引入后，量子點可吸收錳元素并替代近40%的鉛原子。改變肉眼可見：摻雜前的量子點發藍光，摻雜后則以近乎完美的效率發射暖橙色光。

董教授指出，大多數量子點通過改變物理尺寸來轉換顏色，而這次的顏色變化完全來自化學結構的改變。“本質上，晶體‘吞噬’了錳元素，從而實現了超高濃度的成功摻雜。”

應用前景廣闊

這項突破可能影響多個產業：橙色光更護眼，且因多數植物能更有效吸收暖色光，特別適合室內農業種植；改進的光學特性還能提升太陽能電池效率。

研究團隊表示，這類量子點無需額外保護涂層，有望降低生產成本。錳元素賦予的磁性則為醫療掃描、自旋電子學及新型通信技術開辟道路。量子計算可能是最具潛力的應用領域——摻雜量子點可作為光學量子比特，通過光控而非電控來減少干擾、提升穩定性。

董教授表示仍需進一步研究，以控制不同粒徑的摻雜水平，并探究錳離子在晶體結構中的行為機制。“這類新材料能進入該領域令人振奮，”他總結道，“它們成本低廉、可規模化生產，無需復雜工程處理就能實現驚人效率。通過摻雜技術，其應用將更加廣泛。”

該研究成果已發表于《美國化學會志》。

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