當(dāng)構(gòu)成固體的微粒小到一定程度時(shí)，電子局限在納米空間，電子輸運(yùn)受到限制，電子平均自由程很短，電子的局域性和相干性增強(qiáng)，引起量子限域效應(yīng)，電子被“鎖”在納米導(dǎo)電區(qū)域，納米導(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的量子墊壘，當(dāng)電壓很低時(shí)，電子被限制在納米尺度范圍運(yùn)動(dòng)，升高電壓可以使電子越過納米勢(shì)壘形成費(fèi)米電子海，使體系變?yōu)閷?dǎo)電．電子從一個(gè)量子阱穿越量子墊壘進(jìn)人另一個(gè)量子阱就出現(xiàn)了量子隧道效應(yīng)，在單電子晶體管只要控制單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)，就可以觀測(cè)到單電子隧道效應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)讀寫功能，其響應(yīng)速度可提高10~3量級(jí)。

　　微粒尺寸越小，表面原子所占的比例越大，因而其表面活性很高。表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和結(jié)構(gòu)型的變化，同時(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。表面缺陷導(dǎo)致陷阱電子或空穴，它們反過來會(huì)影響量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)、引起非線性光學(xué)效應(yīng)。金屬體材料通過光反射而呈現(xiàn)出各種特征顏色，由于表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)使納米金屬顆粒對(duì)光反射系數(shù)顯著下降，通常低于1%，因而納米金屬顆粒一般呈黑色，粒徑越小，顏色越深，即納米顆粒的光吸收能力越強(qiáng)，呈現(xiàn)出寬頻帶強(qiáng)吸收譜。

　　量子點(diǎn)獨(dú)特的性質(zhì)基于它自身的量子效應(yīng)，當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，尺寸限域?qū)⒁鸪叽缧?yīng)、量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)，從而派生出納米體系具有常觀體系和微觀體系不同的低維物性，展現(xiàn)出許多不同于宏觀體材料的物理化學(xué)性質(zhì)，在非線形光學(xué)、磁介質(zhì)、催化、醫(yī)藥及功能材料等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)將對(duì)生命科學(xué)和信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及物質(zhì)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究發(fā)生深刻的影響。

　　1 表面效應(yīng)

　　表面效應(yīng)是指隨著量子點(diǎn)的粒徑減小，大部分原子位于量子點(diǎn)的表面，量子點(diǎn)的比表面積隨粒徑減小而增大。由于納米顆粒大的比表面積，表面相原子數(shù)的增多，導(dǎo)致了表面原子的配位不足、不飽和鍵和懸鍵增多．使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。這種表面效應(yīng)將引起納米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和結(jié)構(gòu)型的變化，同時(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。表面缺陷導(dǎo)致陷阱電子或空穴，它們反過來會(huì)影響量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)、引起非線性光學(xué)效應(yīng)。金屬體材料通過光反射而呈現(xiàn)出各種特征顏色，由于表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)使納米金屬顆粒對(duì)光反射系數(shù)顯著下降，通常低于 ，因而1%納米金屬顆粒一般呈黑色，粒徑越小，顏色越深，即納米顆粒的光吸收能力越強(qiáng)，呈現(xiàn)出寬頻帶強(qiáng)吸收譜。

　　2 量子限域效應(yīng)

　　由于量子點(diǎn)與電子的 De Broglie 波長、相干波長及激子 Bohr 半徑可比擬，電子局限在納米空間，電子輸運(yùn)受到限制，電子平均自由程很短，電子的局域性和相干性增強(qiáng)，將引起量子限域效應(yīng)。對(duì)于量子點(diǎn)，當(dāng)粒徑與 Wannier 激子 Bohr 半徑 aB相當(dāng)或更小時(shí)，處于強(qiáng)限域區(qū)，易形成激子，產(chǎn)生激子吸收帶。隨著粒徑的減小，激子帶的吸收系數(shù)增加，出現(xiàn)激子強(qiáng)吸收。由于量子限域效應(yīng)，激子的最低能量向高能方向移動(dòng)即藍(lán)移。最新的報(bào)道表面，日本 NEC 已成功地制備了量子點(diǎn)陣，在基底上沉積納米島狀量子點(diǎn)陣列。當(dāng)用激光照射量子點(diǎn)使之激勵(lì)時(shí)，量子點(diǎn)發(fā)出藍(lán)光，表明量子點(diǎn)確實(shí)具有關(guān)閉電子的功能的量子限域效應(yīng)。當(dāng)量子點(diǎn)的粒徑大于 Waboer激子Bohr半徑嶺時(shí)，處于弱限域區(qū)，此時(shí)不能形成激子，其光譜是由干帶間躍遷的一系列線譜組成。

　　3 宏觀量子隧道效應(yīng)

　　傳統(tǒng)的功能材料和元件，其物理尺寸遠(yuǎn)大于電子自由程，所觀測(cè)的是群電子輸運(yùn)行為，具有統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，所描述的性質(zhì)主要是宏觀物理量．當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時(shí)，必須要考慮量子隧道效應(yīng)。100nm被認(rèn)為是微電子技術(shù)發(fā)展的極限，原因是電子在納米尺度空間中將有明顯的波動(dòng)性，其量子效應(yīng)將起主要功能．電子在納米尺度空間中運(yùn)動(dòng)，物理線度與電子自由程相當(dāng)，載流子的輸運(yùn)過程將有明顯電子的波動(dòng)性，出現(xiàn)量子隧道效應(yīng)，電子的能級(jí)是分立的．利用電子的量子效應(yīng)制造的量子器件，要實(shí)現(xiàn)量子效應(yīng)，要求在幾個(gè)μm到兒十個(gè)μm的微小區(qū)域形成納米導(dǎo)電域。電子被“鎖”在納米導(dǎo)電區(qū)域，電子在納米空間中顯現(xiàn)出的波動(dòng)性產(chǎn)生了量子限域效應(yīng)。納米導(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的量子墊壘，當(dāng)電壓很低時(shí)，電子被限制在納米尺度范圍運(yùn)動(dòng)，升高電壓可以使電子越過納米勢(shì)壘形成費(fèi)米電子海，使體系變?yōu)閷?dǎo)電．電子從一個(gè)量子阱穿越量子墊壘進(jìn)人另一個(gè)量子阱就出現(xiàn)了量子隧道效應(yīng)，這種絕緣到導(dǎo)電的臨界效應(yīng)是納米有序陣列體系的特點(diǎn)。 量子功能器件不僅僅在于功能元件尺寸的減小，更重要是納米尺寸的功能器件所依賴的量子效應(yīng)．在納米電子器件中，最具有特色的是單電子器件．其典型結(jié)構(gòu)是量子點(diǎn)，它的電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是一個(gè)勢(shì)阱內(nèi)具有分立能級(jí)的量子點(diǎn)。在單電子晶體管只要控制單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)，就可以觀測(cè)到單電子隧道效應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)讀寫功能，其響應(yīng)速度可提3高 10 量級(jí)。這種單電子輸運(yùn)現(xiàn)象在 C60 和C 納米管中已經(jīng)得到觀測(cè)．目前，室溫單電子器件，例如單電子晶體管、單電子超高密度存儲(chǔ)器，是納米電子學(xué)的熱點(diǎn)研究方向之一。

　　4 量子尺寸效應(yīng)

　　通過控制量子點(diǎn)的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸，就可以方便地調(diào)節(jié)其能隙寬度、激子束縛能的大小以及激子的能量藍(lán)移等電子狀態(tài)。隨著量子點(diǎn)尺寸的逐漸減小，量子點(diǎn)的光吸收譜出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象。尺寸越小，則譜藍(lán)移現(xiàn)象也越顯著，這就是人所共知的量子尺寸效應(yīng)。

　　量子點(diǎn)的應(yīng)用主要有四個(gè)領(lǐng)域：量子計(jì)算，生物，光電器件以及光發(fā)射器件。

　　量子點(diǎn)在固態(tài)量子計(jì)算中的應(yīng)用，通過在石墨兩端加載小的電壓，流經(jīng)量子點(diǎn)的電子流可被控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋以及其它特性的精確測(cè)量，對(duì)糾纏量子點(diǎn)或者量子位元的操作，使得量子計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)。

　　量子點(diǎn)在生物體系中作為熒光探針：與傳統(tǒng)的熒光探針相比，納米晶體的激光光譜寬，且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜呈對(duì)稱分布且寬度窄，顏色可調(diào)，即不同大小的納米晶體能被單一波長的光激發(fā)而發(fā)出不同顏色的光，并且光化學(xué)穩(wěn)定性高，不易分解。如果能解決不同材料的量子點(diǎn)偶聯(lián)問題，就可以用量子點(diǎn)代替很多熒光染料分子，從而在細(xì)胞器定位、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、原位雜交、胞內(nèi)組分的運(yùn)動(dòng)和遷移等研究中發(fā)揮巨大作用。例如，可以將量子點(diǎn)交聯(lián)在特異性抗體上，而這些抗體是可以和細(xì)胞內(nèi)不同的細(xì)胞器和骨架系統(tǒng)特異性結(jié)合，就相當(dāng)于給各種細(xì)胞器或骨架系統(tǒng)貼上了“標(biāo)簽”，可以分辨不同的細(xì)胞器或骨架系統(tǒng)。由于大小不同、材料不同的量子點(diǎn)受到光激發(fā)后發(fā)出一系列不同顏色（光譜）的光，且發(fā)射的熒光強(qiáng)度足以使光學(xué)設(shè)備檢測(cè)到單獨(dú)的量子點(diǎn)。加之量子點(diǎn)很穩(wěn)定，一般在數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)可經(jīng)受反復(fù)的激發(fā)，而光學(xué)特性不會(huì)有明顯變化，假如兩個(gè)分子之間可發(fā)生相互作用，則標(biāo)記其上的不同的量子點(diǎn)就會(huì)互相靠近，那么在這一區(qū)域中的光譜就會(huì)發(fā)生變化，成為兩個(gè)光譜的疊加，在合適的條件下，甚至可能發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，即受體量子點(diǎn)的熒光增強(qiáng)。如果將某一生物過程中有關(guān)生物分子標(biāo)記上不同顏色的量子點(diǎn)，就可能實(shí)現(xiàn)對(duì)活細(xì)胞內(nèi)部分子的監(jiān)測(cè)，或?qū)崟r(shí)觀測(cè)給體-受體的相互作用。同時(shí)量子點(diǎn)可提供的可能性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。將聚合物與量子點(diǎn)結(jié)合(鑲嵌或包覆)組合聚合物微珠，這種微珠能夠包裹或外攜幾種不同尺寸(不同顏色)的量子點(diǎn)，當(dāng)這些膠珠被照射后，它們就開始發(fā)光，被棱鏡傳出,產(chǎn)生幾種指定密度的清晰譜線--特殊的條形碼, 而形成相當(dāng)大數(shù)目的標(biāo)簽(甚至達(dá)到幾十億的數(shù)量)，可以附在不同基因序列組成的ＤＮＡ分子上。將樣品中的基因同已知的ＤＮＡ序列庫進(jìn)行比較，就可以找出在細(xì)胞和組織里的活性基因，所需要的就是簡(jiǎn)單地將檢測(cè)樣品的譜線與微珠庫中的譜線對(duì)照并讀取粘在樣品上的ＤＮＡ序列。

　　量子點(diǎn)用在生物芯片研究中，如在現(xiàn)有的研究蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用的蛋白質(zhì)芯片應(yīng)用中，盡管芯片上有“海量”的蛋白質(zhì)，但由于受目前熒光探針性能的限制，一次通常只能將一種(或很少幾種)標(biāo)記了熒光探針的蛋白質(zhì)與芯片作用，并進(jìn)行檢測(cè)。要研究多個(gè)蛋白質(zhì)就只能多次重復(fù)上述操作,因此,這種芯片只是“單高通量”的。如果在應(yīng)用中引入了量子點(diǎn)則不同，可以作到“海量”對(duì)“海量”。即可將欲研究的各種蛋白質(zhì)用一系列不同大小、不同材料、光譜特性各自不同的量子點(diǎn)或量子點(diǎn)微粒標(biāo)記，更重要的是可以用同一波長的光激發(fā)，從而可以同時(shí)檢測(cè)所有標(biāo)記的蛋白質(zhì)與芯片上的蛋白質(zhì)之間的相互作用。與現(xiàn)有的方法相比,效率要大大提高。如前所說，人們可制備“海量”的量子點(diǎn)或量子點(diǎn)微粒，可標(biāo)記“海量”的蛋白質(zhì),因此可量子點(diǎn)在生物芯片研究中同樣可以大有作為。因此可以預(yù)言，量子點(diǎn)在蛋白質(zhì)芯片上的應(yīng)用可產(chǎn)生“雙高通量”分析檢測(cè)的結(jié)果，對(duì)基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究十分有用。同樣的原理也可應(yīng)用于藥物篩選,達(dá)到雙高通量藥物篩選。

　　量子點(diǎn)應(yīng)用于溶液矩陣(solution array)，即將不同的量子點(diǎn)或量子點(diǎn)微粒標(biāo)記在每一種生物分子上，并置于溶液中,形成所謂溶液矩陣。生物分子在溶液狀態(tài)下易于保持生物分子的正常三維構(gòu)象，從而具有正常的生物功能,這是其優(yōu)于平面芯片之處。

　　量子點(diǎn)與太陽能電池結(jié)合，由于量子點(diǎn)的巨電導(dǎo)，可變化之帶隙，可變化之光譜吸收性等特性，使得量子點(diǎn)太陽能電池可大大提高光電轉(zhuǎn)化率，與目前最流行的多晶硅太陽能電池相比，生產(chǎn)能耗可減少20%，光電效率可增加50%至1倍以上，并降低昂貴的材料費(fèi)用。

　　而在半導(dǎo)體物理方面，正如前面已經(jīng)提到的量子點(diǎn)中低的態(tài)密度和能級(jí)的尖銳化，導(dǎo)致了量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)其中的載流子產(chǎn)生三維量子限制效應(yīng)，從而使其電學(xué)性能和光學(xué)性能發(fā)生變化。這些性質(zhì)使得半導(dǎo)體量子點(diǎn)在單電子器件、存貯器以及各種光電器件等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景?；趲靵鲎枞?yīng)和量子尺寸效應(yīng)制成的半導(dǎo)體單電子器件具有小尺寸，低消耗的特點(diǎn)。

　　以量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的量子點(diǎn)激光器理論上具有更低的閾值電流密度、更高的光增益、更高的特征溫度和更寬的調(diào)制帶寬等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際制作的量子點(diǎn)激光器的閾值電流密度中，它己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)激光器以及量子阱激光器。在溫度穩(wěn)定性方面, 將量子點(diǎn)置入GaAs/AlGaAs量子阱中，使量子點(diǎn)中載流子的逸出勢(shì)壘高度增加，于是大大降低了載流子的逸出幾率，減小了漏電流，使激光器的特征溫度T0遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于量子阱激光器的特征溫度。理想的量子點(diǎn)激光相比量子阱激光器只有遠(yuǎn)高于閾值電流密度的情況下才能實(shí)現(xiàn)單模工作，量子點(diǎn)因只有單一電子能級(jí)和空穴能級(jí)，很容易實(shí)現(xiàn)單模工作。

　　量子點(diǎn)與LED技術(shù)結(jié)合，雖然目前的LED在白光效率上已經(jīng)取得很大的成就,但是跟其他照明技術(shù)相比,純暖白光LED的光輸出仍然不理想。而量子點(diǎn)是晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體,當(dāng)受光子刺激的時(shí)候晶體發(fā)光,發(fā)光顏色由晶體尺寸決定，所以在可視光譜里面量子點(diǎn)可以產(chǎn)生任何顏色,運(yùn)用量子點(diǎn)技術(shù)能夠改善LED背光和常規(guī)照明應(yīng)用的光質(zhì)量。