宏观块材硅是现代电子工业的基石，但其光学性质存在致命缺陷。

• 间接带隙半导体: 块材硅具有~1.12 eV的间接带隙。这意味着电子和空穴的复合需要声子的辅助来满足动量守恒，导致其辐射复合（发光）的效率极低。因此，块材硅是一种极其糟糕的发光材料，这极大地限制了其在光电子学（如LED、激光器）中的应用，也是“硅基光子学”面临的核心挑战。

当硅的尺寸缩小到其激子波尔半径（~5 nm）以下时，其电子和光学性质会发生质的飞跃，完美地克服了块材硅的缺陷。

• 量子限域效应与高效光致发光 (PL): 这是硅量子点最核心、最重要的特性。
  • 间接-直接带隙跃迁: 强烈的量子限域效应不仅增大了带隙，更重要的是，它打破了动量守恒的选择定则，使得原本禁阻的直接跃迁（无需声子辅助）成为可能。这使得硅从一种间接带隙材料转变为一种准直接带隙材料，其发光效率（荧光量子产率）可以从块材的~10⁻⁷急剧提升至超过60%。
  • 尺寸可调谐的荧光: 其发光颜色与量子点的尺寸严格相关，尺寸越小，带隙越大，发射光的能量越高（波长越短）。通过精确控制尺寸，可以实现从近红外到整个可见光区的颜色可调谐荧光发射。
• 优异的生物相容性与可降解性: 硅是地壳中第二丰富的元素，具有公认的良好生物相容性。更重要的是，硅量子点可以在生理环境中缓慢氧化，最终降解为无毒的原硅酸（Si(OH)₄），并可以通过肾脏从尿液中排出。这使其成为一种真正无毒、可降解的“绿色”量子点。

作为一种半导体纳米晶，对硅量子点进行元素掺杂是调控其电学和光学性质的核心手段。

目标: 通过引入施主杂质，增加量子点中的自由电子浓度。

• 磷（P）/ 砷（As）: 磷和砷是硅中最常用的n型掺杂剂。通过在合成过程中引入含磷（如磷烷PH₃）或含砷的前驱体，可以将P或As原子掺入硅的晶格中，取代Si的位置。由于它们比Si多一个价电子，这个多余的电子很容易被电离成为导带中的自由电子。

目标: 通过引入受主杂质，增加量子点中的空穴浓度。

• 硼（B）/ 铝（Al）: 硼和铝是硅中最常用的p型掺杂剂。通过引入含硼（如乙硼烷B₂H₆）的前驱体，可以将B原子掺入硅的晶格中，取代Si的位置。由于B比Si少一个价电子，它会从价带中束缚一个电子，从而在价带中留下一个可移动的空穴。

通过对硅量子点进行可控的n型和p型掺杂，可以精确地调控其费米能级，并构筑出纳米级的p-n结。这是制造下一代全硅量子点发光二极管（LEDs）、太阳能电池、纳米晶体管等高性能光电器件的基础。

硅量子点（SiQDs）本身不是传统意义上的催化剂，但其独特的半导体和光学性质使其在光催化领域是一种极具潜力的无金属、环境友好的光敏剂。

SiQDs可以作为高效的光吸收和能量/电子转移中心。

• 光催化产氢: SiQDs具有可调谐的带隙，可以高效地吸收太阳光并产生具有足够还原能力的电子-空穴对。通过与助催化剂（如铂、MoS₂）复合，其光生电子可以被用于还原水中的质子，产生氢气。
• 光催化CO₂还原: SiQDs产生的光生电子也可以被用于将二氧化碳（CO₂）还原为有价值的化学燃料，如甲酸、甲醇等。
• 光催化降解污染物: 在光照下，SiQDs可以产生活性氧（ROS），用于高效地降解水体和空气中的有机污染物。

硅量子点（SiQDs）凭借其优异的光学特性、高光稳定性、卓越的生物相容性和可降解性，已成为生物成像和传感领域最有前途的下一代荧光探针。

SiQDs是传统含重金属半导体量子点（如CdSe）的一种完美的无毒、可降解的“绿色”替代品。

• 细胞与组织成像: SiQDs表面易于进行靶向修饰。修饰后的SiQDs可以用于对活细胞、组织甚至活体动物进行高对比度、长时程的荧光成像。
• 多色成像: 通过精确控制SiQDs的尺寸，可以制备出不同颜色的探针，用于多色成像。
• 长荧光寿命成像: SiQDs通常具有较长的荧光寿命（微秒级），这使其能够通过时间分辨成像（FLIM）技术，有效排除生物组织中荧光寿命极短的自发荧光背景干扰，获得信噪比极高的图像。

SiQDs是构建高灵敏度荧光传感器的理想平台。

• 原理: SiQDs的荧光强度对其周围的化学环境极其敏感。当其表面吸附或结合待测物（如金属离子、pH、小分子、蛋白质）时，会通过电子转移、能量转移等机制，导致其荧光发生猝灭（“关”）或增强（“开”）。

硅量子点（SiQDs）的多功能性使其成为构建诊疗一体化（Theranostics）平台的理想选择，能够将成像、治疗和药物递送功能集成在同一个纳米颗粒上。

这是SiQDs在癌症治疗中最具潜力的应用之一。

• 原理: SiQDs可以作为一种高效的光敏剂。在光照下，它可以从激发态将能量传递给周围的氧分子，产生大量具有强细胞毒性的单线态氧（¹O₂）。通过将SiQDs靶向递送到肿瘤部位，再用光照射，即可选择性地杀死癌细胞。
• 优势: SiQDs作为光敏剂具有高单线态氧量子产率、高光稳定性和优异的生物相容性的优点。

SiQDs的表面化学和光学特性使其成为一种智能的药物递送载体。

• 药物负载: SiQDs表面丰富的官能团可以通过共价键或非共价作用负载化疗药物。
• 成像指导的递送: SiQDs本身优异的荧光特性，使其可以在递送药物的同时，实时地追踪药物在体内的运输、分布和富集过程，实现“可视化”的药物递送。

硅量子点（SiQDs）最突出的优势之一就是其普遍被认为具有优异的生物相容性和低细胞毒性，是传统含重金属半导体量子点最理想的“绿色”替代品。

• “绿色”的元素组成: SiQDs主要由生物相容的硅元素组成，从根本上避免了重金属离子（如Cd²⁺, Pb²⁺）泄漏带来的严重细胞毒性问题。
• 可生物降解性: 这是SiQDs相比于其它所有量子点（包括碳量子点）的独特优势。SiQDs可以在生理环境中缓慢氧化，最终降解为无毒的原硅酸（Si(OH)₄），并可以通过肾脏从尿液中排出。这极大地降低了其长期蓄积毒性的风险，为其临床转化铺平了道路。

尽管SiQDs总体上是安全的，但其生物安全性仍需根据具体情况进行评估。

• 表面化学: SiQDs的生物学行为和毒性高度依赖于其表面化学。未经钝化的Si-H表面反应活性高，可能诱导氧化应激。表面带有大量正电荷的SiQDs可能会破坏细胞膜，表现出较高的细胞毒性。因此，通过PEG化等手段进行表面修饰是保证其生物安全性的关键。

高质量、尺寸均一的硅量子点的合成，是实现其优异光学性质的前提。

这类方法从块状的硅材料出发，通过物理或化学手段将其破碎或剥离成纳米尺寸的颗粒。

• 电化学刻蚀法: 这是制备高质量SiQDs最常用、最经典的方法之一。
  1. 将一块硅片作为阳极，在氢氟酸（HF）和乙醇的混合电解液中进行阳极氧化。
  2. 在电场作用下，硅片表面会被不均匀地刻蚀，形成一层疏松的、由纳米硅线和颗粒构成的多孔硅层。
  3. 最后，通过超声波将这层多孔硅从硅片上剥离下来并打碎，即可得到尺寸分布较宽的SiQDs悬浮液。

这类方法从分子级别的硅前驱体出发，通过化学反应生成SiQDs。

• 热分解法: 在高温（~300-500 °C）、高沸点的有机溶剂（如油胺、角鲨烷）中，通过热分解硅的前驱体（如氢硅倍半氧烷H-SSO、有机硅烷）来合成。这种方法可以获得尺寸极其均一、结晶质量高的SiQDs。
• 微波辅助法: 利用微波辐射作为热源，可以极大地缩短反应时间（通常只需几分钟），是一种快速、高效、节能的合成方法。

对硅量子点（SiQDs）的精确表征是确认其晶体结构和理解其发光机理的关键。

• 高分辨透射电子显微镜 (HRTEM): 这是确认SiQDs晶体结构的金标准技术。在HRTEM图像中，必须能够清晰地观察到代表硅的金刚石立方结构的、间距约为0.31 nm的{111}晶面晶格条纹。这是其区别于无定形硅纳米颗粒的直接证据。
• X射线衍射 (XRD): 用于确认SiQDs为金刚石立方的晶体结构。由于纳米尺寸的量子限域效应，其衍射峰会比块材硅明显宽化。

• 荧光光谱: 荧光分光光度计是表征SiQDs的核心技术。
  • 发射/激发光谱: 用于确定其最佳的激发波长和发射波长（颜色）。
  • 荧光量子产率 (PLQY): 使用积分球测量其绝对量子产率，是评价其发光效率的最核心参数。
  • 荧光寿命: 使用时间相关单光子计数（TCSPC）技术测量其荧光寿命，有助于揭示其发光机理。

• 傅里叶变换红外光谱 (FTIR): 用于鉴定其表面化学官能团。例如，可以清晰地看到Si-H, Si-O-Si, Si-OH, Si-C等特征振动峰，是判断其表面状态和功能化是否成功的关键。

硅量子点的表面工程是其实现高发光效率和稳定性的决定性步骤。其核心任务是钝化其表面缺陷，以消除导致荧光猝灭的非辐射复合中心。

这是获得高荧光量子产率SiQDs的关键。

• 原理: SiQDs表面天然存在大量的悬挂键（Dangling Bonds），这些是极强的非辐射复合中心。必须通过化学方法将这些悬挂键饱和掉。
• 典型策略:
  • 氢化硅表面与氢化硅烷化 (Hydrosilylation): 许多合成方法得到的SiQDs表面覆盖着Si-H键。这个表面虽然有一定钝化效果，但在空气和水中不稳定。利用Si-H键的反应活性，可以通过氢化硅烷化反应，将其与末端带有双键或三键的有机分子（如烯烃、炔烃）反应，形成极其稳定的Si-C键。这是制备高稳定性、高量子产率SiQDs的最有效方法之一。
  • 氧化物钝化: 在SiQDs表面可控地生长一层高质量、致密的二氧化硅（SiO₂）壳，形成Si@SiO₂核壳结构。这层SiO₂壳可以完美地钝化其表面缺陷，并提供一个与二氧化硅纳米颗粒完全一样的、易于通过硅烷化学进行功能化的表面。

在实现了稳定的表面钝化后，即可通过成熟的化学方法将SiQDs与生物分子连接。

• 原理: 利用表面钝化时引入的官能团（如-COOH, -NH₂），作为“化学手柄”，通过EDC/NHS化学等偶联反应，连接抗体、多肽等生物分子，以实现主动靶向。