Квантовая точка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Квантовые точки, люминесцирующие в видимой области от фиолетового до красного, производятся в килограммовых количествах на PlasmaChem GmbH

Ква́нтовая то́чка — фрагмент проводника или полупроводника (например InGaAs, CdSe или GaInP/InP), носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными[1]. Это достигается, если кинетическая энергия электрона заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х годов Алексеем Екимовым[en] в стеклянной матрице[2] и Луи Е. Брусом[en] в коллоидных растворах. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом[en][3].

Энергетический спектр квантовой точки дискретен и расстояние между стационарными уровнями энергии носителя заряда зависит от размера квантовой точки как \hbar^2/2m d^2 (где ħ — приведённая постоянная Планка, d — характерный размер точки, mэффективная масса электрона на точке). Вследствие этого электронные и оптические свойства квантовых точек занимают промежуточное положение между объёмным полупроводником и дискретной молекулой[1].

Возможное применение квантовых точек: полевые транзисторы, фотоэлементы, LED, лазерные диоды[1]. Исследуются также возможности применения квантовых точек в качестве биомаркеров для визуализации в медицине[4] и кубитов для квантовых вычислений.

Проще говоря, квантовая точка — это полупроводник, электрические характеристики которого зависят от его размера и формы. Чем меньше размер кристалла, тем больше расстояние между энергетическими уровнями. Например, при переходе электрона на энергетический уровень ниже, испускается фотон; так как мы можем регулировать размер квантовой точки, то мы можем изменять энергию испускаемого фотона, а значит, мы можем изменять цвет испускаемого квантовой точкой света. Основное преимущество квантовой точки заключается в возможности высокоточного контроля над её размером, это делает возможным очень точный контроль над проводимостью[5]. Квантовые точки разных размеров могут быть собраны в градиентные многослойные нанопленки[en].

Типы квантовых точек[править | править вики-текст]

Различают два типа квантовых точек (по способу создания):

  • эпитаксиальные квантовые точки;
  • коллоидные квантовые точки.

Конструкции квантовых точек[править | править вики-текст]

Квантовой точкой может служить кристалл полупроводника, в котором реализуются квантово-размерные эффекты вследствие достаточно малого размера. Исторически первыми квантовыми точками, вероятно, были микрокристаллы селенида кадмия CdSe. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними \frac{\hbar^2}{2m d^2} (точное выражение для уровней энергии зависит от формы точки). Аналогично переходу между уровнями энергии атома, при переходе между энергетическими уровнями квантовой точки может излучаться фотон. Возможно также забросить электрон на высокий энергетический уровень, а излучение получить от перехода между более низколежащими уровнями (люминесценция). При этом, в отличие от настоящих атомов, частотами переходов легко управлять, меняя размеры кристалла. Собственно, наблюдение люминесценции кристаллов селенида кадмия с частотой люминесценции, определяемой размером кристалла, и послужило первым наблюдением квантовых точек.

В настоящее время множество экспериментов посвящено квантовым точкам, сформированным в двумерном электронном газе. В двумерном электронном газе движение электронов перпендикулярно плоскости уже ограничено, а область на плоскости можно выделить с помощью затворных металлических электродов, накладываемых на гетероструктуру сверху. Квантовые точки в двумерном электронном газе можно связать туннельными контактами с другими областями двумерного газа и изучать проводимость через квантовую точку. В такой системе наблюдается явление кулоновской блокады.

Применение квантовых точек[править | править вики-текст]

Коллоидные квантовые точки являются хорошей заменой традиционных люминофоров, как органических, так и неорганических. Они превосходят их по фотостабильности, яркости флуоресценции, а также имеют некоторые уникальные свойства[6].

Ещё недавно о широком применении квантовых точек речи не шло, но в последние годы ряд компаний выпустил на рынок продукцию с использованием данных наночастиц. Среди анонсированных продуктов имеются как экспериментальные образцы, так и массовые изделия. Например, компанией LG созданы первые прототипы дисплеев на основе квантовых точек[7]. В то же время компания Nexxus Lighting выпустила светодиодную лампу с использованием квантовых точек[8], а российская компания QDLight готовит к выпуску целую линейку продукции на квантовых точках, предназначенных для применения в области оптоэлектроники, безопасности и сельского хозяйства[9]. Оптические свойства нанокристаллов — квантовых точек используются в самых неожиданных исследованиях, в которых требуется удобная, перестраиваемая люминесценция, например в биологических исследованиях.

Квантовые точки также применяются в солнечных батареях в качестве материала, преобразующего солнечную энергию в постоянный электрический ток. Использование квантовых точек в многослойных солнечных батареях позволяет добиться эффективного поглощения сразу нескольких различных частей спектра солнечного излучения[10].

Квантовые точки — один из главных кандидатов для представления кубитов в квантовых вычислениях.

Существует программа создания дисплеев на квантовых точках — QD-LED.

Методы получения квантовых точек[править | править вики-текст]

Схема синтеза CdSe-ZnSe квантовых точек.

Существует два главных метода создания квантовых точек:

  • синтез в коллоиде, при котором вещества смешиваются в растворе;
  • эпитаксия — метод выращивания кристаллов на поверхности подложки.

При помощи коллоидного синтеза можно получать нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул. Таким образом, они растворимы в органических растворителях, после модификации — также в полярных растворителях. Квантовые точки, связанные с подложкой, могут использоваться, например, в перспективных приложениях наноэлектроники. Особый интерес представляют флуоресцирующие квантовые точки, получаемые методом коллоидного синтеза, например КТ на основе халькогенидов кадмия в зависимости от своего размера флуоресцируют разными цветами. Интерес заключается в том, что они поглощают энергию в широком диапазоне спектра, а испускают узкий спектр световых волн[11].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]