清大研發全球最亮量子光源 具自我修復力

鈣鈦礦量子點是量子光源的明日之星，但卻有穩定性不足的障礙難以突破。清華大學材料系教授林皓武透過自行開發的「噴霧合成法」，在僅有10奈米的鈣鈦礦量子點上均勻地包覆一層有機保護層，研發出穩定性極高，還具有自我修復能力的量子點。

清華大學材料系教授林皓武，研發出室溫下全球最亮的鈣鈦礦量子光源。（清華大學提供）

由林皓武研發出的鈣鈦礦量子點，其產生的單光子亮度更打破世界紀錄，成為室溫條件下最亮的量子光源材料，是一項可望引領未來量子通訊及量子計算應用的重大突破。

這項重大突破是由林皓武指導博士生，以及與清華物理系副教授褚志崧、美國西北大學化學系教授夏勒（Richard Schaller）跨國合作共同完成。

林皓武指出，比起其他的量子光源，鈣鈦礦量子點可在室溫下實現單光子放光，且具有高量子產率、高色純度等優良的光學特性；可應用在高速的計算、通訊及螢幕，近年來在國際材料研究領域受到極大的關注。但它的缺點就是壽命不長，激發發光後只能存活數分鐘，成為應用上難以跨越的障礙。

「噴霧合成法」解決不穩定性

其他研究單位過去製備鈣鈦礦量子點的方式是直接將兩種溶液注入混合，林皓武研究團隊則獨家研發噴霧合成法，大幅增加兩種溶液的接觸表面積，可在量子點外表包覆一層均勻的有機保護層，在連續24小時的高強度激發下，仍維持高亮度，一舉解決了鈣鈦礦量子點穩定性不佳的問題。

用「噴霧合成法」來製備鈣鈦礦量子點，可增加溶液的接觸表面積，讓量子點外表包覆一層均勻的有機保護層。（清華大學提供）

林皓武指出，用這種噴霧合成法製備的鈣鈦礦量子光源，只要用其他量子光源約1%的能量激發，它的單光子亮度就能達到每秒90萬光子數，已創下世界紀錄，成為史上最亮的光子源；此外，它的高單光子純度也高達98%，兼具高亮度、高純度及高穩定度等眾多優點。

林皓武解釋，如果將製備量子點晶體的程序比喻為包水餃，過去科學家一直碰到水餃破皮的問題，有人只好改用不同材料的水餃皮，也有人想辦法把水餃皮包厚一點、或包兩層，「我做的事很簡單，就是不斷改良包水餃的手法。」

自我修復能力如「黑科技」

更令人驚喜的是，以此方式製備的鈣鈦礦量子點還具有獨特的自我修復能力。林皓武說，在極高強度雷射的激發下遭到損壞、亮度衰退後，只要休息幾分鐘，就能重新恢復原來的高亮度。這項研發成果最近登上國際期刊《ACS Nano》，並被選為封面故事，立即引發研究社群熱烈討論，這種可以不斷再生的鈣鈦礦量子光源也被喻為「黑科技」。

清華大學材料系教授林皓武，研發出室溫下全球最亮的鈣鈦礦量子光源。（清華大學提供）

博士生許博惟回憶第一次看到量子點竟能自我修復的神奇時刻，「當被強度激發的量子點經過一段時間的實驗，亮度逐漸衰減後，我忙著從顯微鏡裡尋找下一顆量子點來做實驗，沒想到剛才已經暗淡的那顆量子點竟然又重新發光。」經過一次又一次的反覆實驗，終於證實量子點能自我修復並非神話。

研究團隊的另一位博士生莊詠棠則致力於提升團隊研發出的鈣鈦礦量子點應用，研發出最新的量子加密亂數產生器，通過美國國家標準暨技術研究院（NIST）的15項「真亂數」檢驗。目前，量子點等關鍵技術已取得臺灣專利，正申請美國專利中。◇

量子光源性能比較