Квантовая точка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Квантовые точки, люминесцирующие в видимой области от фиолетового до красного, производятся в килограммовых масштабах на PlasmaChem GmbH
Квантовые точки сульфида кадмия

Ква́нтовая то́чка — фрагмент проводника или полупроводника (например InGaAs, CdSe, CdS 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.

Энергетический спектр квантовой точки дискретен, и расстояние между стационарными уровнями энергии носителя заряда зависят от размера квантовой точки как (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].

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, а следовательно и над проводимостью[2], что позволяет создавать флуорофоры разных цветов из одного и того же материала по одной методике.

Квантовые точки разных размеров могут быть собраны в градиентные многослойные нанопленки (англ.).

История[править | править код]

Квантовые точки были впервые получены в 1981-м году Алексеем Екимовым[3][К 1], а затем, в 1985-м году, Луисом Брюсом в коллоидных растворах[5][6]. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом (англ.)[7]. Первыми квантовыми точками были микрокристаллы CuCl, выращенные в стёклах[3][К 1]. В 1993 году появился метод синтеза квантовых точек из селенида кадмия в форме коллоидных нанокристаллов, где каждая квантовая точка представляет собой изолированный объект[8]. Квантовый выход флуоресценции таких точек был всего 10 %[9]. Его существенного увеличения удалось добиться формированием оболочки вокруг ядра.

Наиболее изучены квантовые точки на основе селенида кадмия. Но с появлением законодательства, ограничивающего использование материалов на основе тяжелых металлов[10], технологии стали развиваться в сторону производства квантовых точек, не содержащих кадмий.

Коллоидная квантовая точка, покрытая слоем стабилизатора

Типы квантовых точек[править | править код]

Различают два типа квантовых точек (по способу создания):

Физико-химические свойства[править | править код]

  • Широкий спектр поглощения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения.
  • Узкий и симметричный пик флуоресценции (без «хвоста» в красной области, как у органических красителей, полуширина пика флуоресценции 25—40 нм), что обеспечивает чистый цвет: точки размером 2 нм — голубой, 3 нм — зеленый, 6 нм — красный[11].
  • Высокая яркость флуоресценции (квантовый выход >50 %).
  • Высокая фотостабильность.

Большинство свойств КТ, в том числе цвет излучения, зависит от размеров, формы и материалов, из которых они изготовлены.

Квантовой точкой может служить кристалл полупроводника, в котором реализуются квантово-размерные эффекты вследствие достаточно малого размера. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними (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.

Конструкции квантовых точек[править | править код]

Квантовая точка состоит из ядра и защитной оболочки из материала с более широкой запрещенной зоной. Она уменьшает дефекты на поверхности ядра, что приводит к повышению квантового выхода флуоресценции до 90 %, предотвращает деградацию кт и высвобождение токсичных ионов кадмия. Материалом ядра могут быть CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, сплавы CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg; оболочки — ZnS, CdS, ZnSe. У КТ для биомедицинских исследований есть ещё два слоя: стабилизатор и слой инертных молекул (пептиды, липиды) или нейтральная гидроксильная оболочка. Стабилизатор — кремниевая, полимерная или силиконовая оболочка — обеспечивает защиту внутренних структур от агрессивного воздействия окружающей среды, определяет способность квантовых точек диспергироваться в растворители и возможность прививки к их поверхности различных биологически активных молекул, которые будут доставлять КТ к нужным тканям и клеткам. Липиды используются для уменьшения неспецифичного связывания[12].

Квантовые точки могут быть различной формы и размера, но чаще всего это сферы диаметром 2—10 нм, и состоят они из 103—105 атомов[1].

Применение квантовых точек[править | править код]

Квантовые точки являются перспективными материалами в медицине, биологии, оптике, оптоэлектронике, микроэлектронике, полиграфии, энергетике.

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[13]. Оптические свойства этих нанокристаллов  используются в самых неожиданных исследованиях, в которых требуется удобная, перестраиваемая люминесценция, например в биологических исследованиях. Например, квантовые точки разных размеров проникают в разные части клеток и окрашивают их в разные цвета[14][15].

Квантовые точки всё больше используются в качестве биомаркеров для визуализации в медицине, например для окрашивания опухолей или аутоиммунных антител, доставки лекарств к нужным тканям (присоединяя лекарственные вещества к наночастицам, можно более точно нацеливать их на опухоли)[16].

Ещё недавно о широком применении квантовых точек в электронике 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. Компания LG Display ещё в 2010 году создала первые прототипы дисплеев на основе квантовых точек[17]. В 2015 году TPV Technology разработала совместно с QD Vision и выпустила в продажу первый потребительский монитор 276E6ADS на базе квантовых точек[18]. В настоящее время жк-панели с подсветкой на квантовых точках (QD-LED) устанавливают в свои телевизоры Samsung, LG Electronics, Sony, TCL Corporation, Hisense. Существует программа создания устройств отображения, где сами квантовые точки будут выступать в роли светоизлучателей[19].

Возможное применение квантовых точек: полевые транзисторы, фотоэлементы, LED, лазерные диоды[1]. Компания Nexxus Lighting в 2009 году выпустила светодиодную лампу с использованием квантовых точек[20].

На основе КМ можно изготавливать покрытия, изменяющие излучение существующих источников света или солнечного света, что может быть применимо, например, в сельском хозяйстве для преобразования ультрафиолетового света в красный, который полезен растениям.

Квантовые точки также применяются в гибридных солнечных батареях в качестве материала, преобразующего солнечную энергию в постоянный электрический ток. Использование квантовых точек в многослойных солнечных батареях позволяет добиться более эффективного поглощения солнечного излучения, так как они могут поглощать свет в более широком диапазоне (включая инфракрасный и ультрафиолетовый), чем традиционные солнечные элементы[21].

UbiQD, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (англ.), Лос-Аламосская национальная лаборатория разрабатывают люминесцентный солнечный концентратор (LSC) на квантовых точках[22][23].

Квантовые точки могут входить в состав чернил для защиты документов и ценных бумаг от фальсификации[24][25].

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

Методы получения квантовых точек[править | править код]

Существует два главных метода создания квантовых точек: эпитаксия и синтез в коллоиде.

Эпитаксия — метод выращивания кристаллов на поверхности подложки:

Выращивают в основном соединения из элементов III (Ga, Al, In) и V ( As, P, Sb) группы таблицы Менделеева — AIIIBV. На основе таких КТ созданы полупроводниковые лазеры и СВЧ-транзисторы.

Коллоидный синтез, при котором вещества смешиваются в растворе.

Процесс создания квантовой точки методом коллоидного высокотемпературного синтеза[26]

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. Особый интерес представляют флуоресцирующие квантовые точки, получаемые методом коллоидного синтеза, например квантовые точки на основе халькогенидов кадмия в зависимости от своего размера флуоресцируют разными цветами.

Производство[править | править код]

Квантовые точки для дисплеев производит компания Nanosys (англ.). Свою технологию QDEF (Quantum Dot Enhancement Film — улучшающая плёнка с квантовыми точками) она представила на выставке SID (Society for Information Display (англ.)) в 2011 году. Первыми лицензиатами данной технологии стали Samsung Electronics и 3M.

В 2004 году для разработки технологии QLED была основана лаборатория QD Vision (США, Лексингтон (Массачусетс)). Изначально предполагалось изготовление из квантовых точек непосредственно субпикселей матрицы дисплея, но технология оказалась сложной и затратной, и компания сконцентрировалась на усовершенствовании подсветки на квантовых точках жк-дисплеев[27]. Внедрить технологию в производство телевизоров удалось благодаря сотрудничеству с LG, Sony, TCL Group и Samsung, которая и купила QD Vision в 2016 году[28].

Собственной технологией производства безкадмиевых квантовых точек обладает компания Nanoco (англ.), созданная в 2001 году в Манчестере. Компания выпускает плёнку CFQD® для средств отображения и садоводческого освещения[29]. Её завод находится в Ранкорне.

Производством QD-материалов занимается компания Dow Chemical. В 2013 году она получила лицензию от Nanoco на производство, маркетинг и продажу её материалов. К 2015 году Dow Chemical построила завод в Чхонане (Южная Корея) и наладила производство квантовых точек, не содержащих кадмия[30]. Вместо него используется индий. Первые телевизоры с данной технологией были представлены Samsung и LG на выставке CES 2015.

Разработкой собственной QD-технологии занимается компания Merck Group (англ.)[31].

В России в 2011—2014 годах квантовые точки под брендом QDLight производило микропредприятие «Научно-технологический испытательный центр „Нанотех-Дубна“» в рамках совместного проекта с РОСНАНО и ФГУП «Научно-исследовательский институт прикладной акустики»[32][26]. В 2017 году оно было ликвидировано[33].

Квантовые точки для создания солнечных элементов производят Quantum Materials Corporation и её дочерняя компания Solterra Renewable Technologies — по собственной запатентованной технологии[21] и QD Solar.

См. также[править | править код]

Комментарии[править | править код]

  1. 1 2 Академик Ж. И. Алфёров по этому поводу писал: «Первые полупроводниковые точки — микрокристаллы соединений AIIBVI, сформированные в стеклянной матрице, были предложены и реализованы А. И. Екимовым и А. А. Онущенко»[4].

Источники[править | править код]

  1. 1 2 3 4 Васильев Р. Б., Дирин Д. Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение. — Методические материалы. — Москва: ФНМ МГУ, 2007. — 34 с.
  2. www.evidenttech.com: How quantum dots work.. Архивировано 1 февраля 2010 года. Дата обращения 15 октября 2009.
  3. 1 2 Екимов А. И., Онущенко А. А. Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников // Письма в ЖЭТФ. — 1981. — Т. 34. — С. 363—366.
  4. Алфёров Ж. И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // Физика и техника полупроводников. — 1998. — Т. 32, № 1. — С. 12.
  5. Nanotechnology Timeline (англ.). National Nanotechnology Initiative (26 November 2015). Дата обращения 14 декабря 2016.
  6. Discovery of Quantum Dots (1981) (англ.). Jeremy Norman & Co., Inc. (2004—2016). Дата обращения 14 декабря 2016.
  7. Reed MA, Randall JN, Aggarwal RJ, Matyi RJ, Moore TM, Wetsel AE (1988). “Observation of discrete electronic states in a zero-dimensional semiconductor nanostructure”. Phys Rev Lett. 60 (6): 535—537. Bibcode:1988PhRvL..60..535R. DOI:10.1103/PhysRevLett.60.535. PMID 10038575. (1988).[1]
  8. Murray C. B., Norris D. J., Bawendi M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites (англ.) // J. Am. Chem. Soc. : журнал. — 1993. — № 115 (19). — С. 8706–8715.
  9. Олейников В. А., Суханова А. В., Набиев И. Р. Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы в биологии и медицине  (неопр.). — Российские нанотехнологии. — 2007. — Т. 2. — С. 160—173.
  10. ТР ЕАЭС 037/2016. Решение Совета Евразийской экономической комиссии от 18 октября 2016 года N 113. Дата обращения 19 апреля 2019.; Директива 2011/65/EU от 8 июня 2011 года. Европейский парламент и Совет ЕС. Дата обращения 16 мая 2019.
  11. QLED и его отличия от OLED и LED. ULTRA HD (6 мая 2017). Дата обращения 17 апреля 2019.
  12. Здобнова Т. А., Лебеденко Е. Н., Деев С. М. Квантовые точки для молекулярной диагностики опухолей (рус.) // Aсta Naturae : журнал. — 2011. — Т. 3, № 1 (8). — С. 32—52.
  13. Свойства квантовых точек
  14. Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher, et. al. Nonfunctionalized Nanocrystals Can Exploit a Cell's Active Transport Machinery Delivering Them to Specific Nuclear and Cytoplasmic Compartments (англ.) // Nano Lett : журнал. — 2007. — № 7 (11). — С. 3452—3461.
  15. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, Małgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell, et. al. Probing Cell-Type-Specific Intracellular Nanoscale Barriers Using Size-Tuned Quantum Dots (англ.) // Small : журнал. — 2009. — № 5. — С. 2581—2588.
  16. Олейников В. А. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии (англ.) // Природа : журнал. — 2010. — № 3. — С. 22—28.
  17. Начато производство дисплеев на квантовых точках. MEMBRANA (4 июня 2010). Дата обращения 15 апреля 2019.
  18. MMD, QD Vision Introduce World’s First Quantum Dot Monitor. BusinessWire. Дата обращения 17 апреля 2019.
  19. В 2018 году ЖК-телевизоры с квантовыми точками превзошли OLED по числу продаж, но уступили по доходу. STEREO&VIDEO (12 марта 2019). Дата обращения 15 апреля 2019.
  20. Первые коммерческие лампы на квантовых точках. NANO NEWS NET (7 мая 2009). Дата обращения 24 апреля 2019.
  21. 1 2 This company’s ‘tiny dots’ promise to turn the entire renewable energy industry on its head. StockGumshoe (15 февраля 2017). Дата обращения 24 апреля 2019.
  22. Эффективность солнечных батарей на квантовых точках продолжает расти. NANO NEWS NET (1 ноября 2017). Дата обращения 24 апреля 2019.
  23. Solar-Panel Windows Made Possible by Quantum Dot Breakthrough. International Business Times (17 апреля 2014). Дата обращения 24 апреля 2019.
  24. Урожай решений IQDEMY. Квантовые точки и полимер. IQDEMY (20 сентября 2018). Дата обращения 25 апреля 2019.
  25. Квантовые точки. Уникальный материал для систем криптозащиты. ООО «НТИЦ «Нанотех-Дубна» (2011). Дата обращения 25 апреля 2019.
  26. 1 2 Запущена первая очередь производства коллоидных квантовых точек. Время инноваций. Дата обращения 23 апреля 2019.
  27. Васильков А. Зачем телевизорам квантовые точки, или нанотехнологии в быту. КОМПЬЮТЕРРА (17 января 2013). Дата обращения 18 апреля 2019.
  28. Квантовые амбиции Samsung. AbbGroup (24 ноября 2016). Дата обращения 18 апреля 2019.
  29. Cadmium free quantum dots. Nanoco Group. Дата обращения 16 мая 2019.
  30. Samsung may introduce cadmium-free quantum dots LCD TVs in 2015. Оled-info (22 октября 2014). Дата обращения 18 апреля 2019.
  31. Детинич Г. Merck Korea представила материалы для «футуристических» дисплеев. 3Dnews (21 октября 2017). Дата обращения 18 апреля 2019. — крупнейший в мире производитель жидких кристаллов
  32. Производство квантовых точек методом коллоидного синтеза. РОСНАНО. Дата обращения 23 апреля 2019.
  33. ООО «НТИЦ „Нанотех-Дубна“». Nalog.io (23 апреля 2019).

Ссылки[править | править код]