Квантовая точка

У этого термина существуют и другие значения, см. Точка (значения).

Квантовая точка — 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 обнаружены 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 $\hbar^2/2m d^2$ (d — характерный размер точки, m — эффективная масса электрона на точке). Вследствие чего, 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

Различают два типа квантовых точек (по способу создания):

• эпитаксиальные квантовые точки;
• коллоидные квантовые точки.

Конструкции квантовых точек

Квантовой точкой может служить любой достаточно маленький кусочек металла или полупроводника. 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

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

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

Методы получения квантовых точек

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^[10].

См. также

• Квантовый провод
• Двумерный электронный газ
• Квантовый точечный контакт
• Лазер на квантовых точках
• Программируемая материя
• Квантовая антиточка

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} Васильев Р. Б., Дирин Д. Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение. — МГУ, Москва, 2007. — С. 50.
2. ↑ Екимов А. И., Онущенко А. А. Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников // Письма в ЖЭТФ. — 1981. — Т. 34. — С. 363—366.
3. ↑ 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. DOI:10.1103/PhysRevLett.60.535. PMID 10038575. Bibcode: 1988PhRvL..60..535R. (1988).[1]
4. ↑ Олейников В. А. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии // Природа. — 2010. — № 3. — С. 22—28.
5. ↑ www.evidenttech.com: How quantum dots work.. Проверено 15 октября 2009.
6. ↑ Свойства квантовых точек
7. ↑ MEMBRANA | Мировые новости | Начато производство дисплеев на квантовых точках
8. ↑ Лампа на квантовых точках
9. ↑ Новые продукты на квантовых точках
10. ↑ Российская корпорация нанотехнологий

Ссылки

• Полупроводниковый гетероструктуры
• Создана логическая схема на квантовых точках