Что такое квантовые точки Где они используются и как происходит их синтез

Квантовые поля, квантовые числа, квантовая запутанность, квантовый скачок, даже квантовый кот Шредингера. Все это сложные, абстрактные понятия в физике, которые можно только вообразить. Но квантовая точка – это не абстракция. Она материальна, ее можно увидеть, более того – создать, сделать, и даже массово производить. Можно даже выпускать погонными метрами ткань в квантовую горошинку.

Что такое квантовые точки

Квантовые точки (КТ) – это частицы, размер которых не превышает 100 нанометров, то есть 100* 10−9 м, и которые содержат электроны проводимости. С чем сравнить их размер, чтобы было нагляднее? Толщина человеческого волоса – 70 тысяч нанометров. Согласен, не слишком подходит. Расстояние между атомами углерода в алмазе 0,154 нм. Вот, это уже точнее. Атом водорода имеет примерный размер в 0,1 нм – да, маловато. Данные на лазерный диск записываются на 100 нм в глубину. Вирус гриппа приблизительно равен 100 нм. Ну где-то так. Хотя и тут лучше бы обойтись без него.

А что же такое электрон проводимости?

Если читать о них все подряд, то уже определение «квазичастица», то есть «вроде частица, а вроде и нет» понимания не прибавит. А между тем это просто придуманная великим Львом Давидовичем Ландау для примера штуковина, которая позволяет проще описывать, что происходит на грани между миром привычным нам и миром частиц и атомов. Да и не то чтобы Ландау полностью их придумал – они ведь есть! Когда электрон несется по проводнику, он не связан с каким-то единственным атомом, он дрейфует в направлении, заданном ему электромагнитным полем. Вот такой электрон и называют электроном проводимости. Но почему же так важно, чтобы размер совпадал и электрон такой имелся в наличии?

Размером квантовой точки определяются ее свойства. КТ существует в квантовом мире, в мире атомов и частиц, и живет по законам этого мира. Поэтому она сохраняет свойства атома, часто ее и называют «искусственный атом». Но зачем нужен еще и искусственный атом, что у нас, натуральных мало?

Нет, обыкновенных, природных атомов вполне достаточно. Но создавая искусственный атом, мы можем придать ему нужные нам свойства.

Частицы в квантовом мире живут подобно свету. У них двоякая природа – они и частицы, и волны, то есть у них имеется не только масса, но и частота колебаний, и длина волны. И когда длина ее волны становится сопоставима с ее размерами, ее энергетические свойства становятся дискретными.

Снова непонятное слово? Да бросьте, вот уж проще некуда. Видели вы стрелку на секундомере или секундную стрелку в часах? Она не плавно кружится, а словно скачет с деления на деление. Чтобы стало совсем понятно, вообразите водоем, с одно берега которого на другой можно перепрыгнуть по торчащим из воды камням, и по ним скачет человек. А рядом – довольно глубоко, и по этому глубокому пространству плавно передвигается лодка. Лодка движется плавно и непрерывно, а человек – скачками, то есть дискретно.

Почему это для нас важно? Потому что каждая стадия дискретного процесса меняет свойства частицы. А если научиться управлять частотой расстановки камней в этом пруду – то есть стадиями процессов в КТ, то можно поставить их себе на службу. Таким образом, можно дать еще одно определение квантовой точки: это нано-метровые частицы полупроводника, свойства которых зависят от их размеров.

Но сперва – об истории открытия.

Синтез квантовых точек

Первым в истории вырастил квантовую точку Алексей Иванович Екимов, кандидат физико-математических наук, сотрудник Государственного Оптического Института в Ленинграде. А занимался он темой вполне прозаической – цветными стеклами для светофильтров. В шихту – сухую смесь, из которой получается в печи густая стекольная масса, он добавлял полупроводники, нагревал, делал расплав и охлаждал. Как тысячи мастеров до него. Но он вскоре заметил, что один и тот же компонент – хлорид меди – к тому же добавленный в совершенно одинаковом количестве, может, тем не менее, окрасить полученное стекло в разные цвета, и цвет зависит от температуры, интенсивности и времени прогревания массы.

Он, в частности, прогревал смесь от 500°C до 700°C, варьируя время нагрева от одного часа до 96 часов. Остывшую массу он просматривал в рентгеновских лучах, и обнаружил в стекле нанокристаллы хлорида меди. В зависимости от условий обработки менялся размер кристаллов: от 2 до 30 нанометров. Чем меньше были кристаллы, тем ближе к синему краю спектра был свет, волны которого они поглощали.

Он заметил связь: кристаллы хлорида меди поглощают свет, длина волны которого соответствует размеру этих кристаллов. Эффекты соответствия свойств размерам, и связи энергии с цветом привели ученого к выводу: здесь действуют законы квантовой физики. А поскольку квантовую физику советские студенты изучали подробно и глубоко, то он нисколько не удивился, отчитался перед руководством об итогах экспериментов и отправил в «Журнал экспериментальной и теоретической физики» письмо – где его и напечатали в 1981 году, в отделе писем. Алексей Иванович приступил к докторской диссертации, а журнал поставили на полки в нескольких библиотеках. Ну и засчитали ученому научную публикацию – что уже неплохо.

Так уж вышло, что журнал с письмом Екимова ни разу не попался на глаза американцу Луису Брюсу, да и вряд ли он прочитал бы его по-русски. В 1983 году он открыл квантовые точки из сульфата кадмия, но в жидком растворе. Его кристаллы имели размеры от 4,5 до 12,5 нанометра. И снова та же зависимость свойств от размера! Чем больше места в кристалле – тем длиннее волну может он поглотить.

По итогам работы двух ученых уже можно стало дать уточненное определение квантовой точки: это фрагмент полупроводника, носители заряда которого (электроны или «дырки» - то есть, места где электрона не хватает) ограничены в пространстве и настолько малы, чтобы квантовые эффекты были существенными. Если посветить на квантовую точку ультрафиолетовым светом, электрон в ней возбуждается и переходит из валентной зоны (где он прочно подвешен к атому) в зону проводимости (где он может передвигаться от атома к атому), а потом возвращаясь в валентную зону, энергию своего возбуждения высвобождает в виде фотона. Возникает свечение, или фотолюминесценция. Это уже интересно – и можно что-то с этим придумывать, но как наделать достаточное количество квантовых точек, чтобы использовать их в каком-то нужном деле? Как получить нанокристаллы одного размера? Этого Брюс не знал.

А вот его ученик, Мунги Бавенди, увлекся квантовыми точками в начале 90-х, а вскоре разработал способ синтеза таких точек нужного размера в монодисперсном растворе, то есть в растворе, содержащем частицы одинакового размера. В горячий растворитель он добавлял компоненты, вступавшие в реакцию и соединявшиеся в селенид кадмия, причем вводил он вещества через тончайшую иглу, вокруг которой раствор насыщался и формировал наночастицы, размеры которых оказалось возможным регулировать, меняя температуру в растворителе.

Метод оказался вполне эффективным и для других полупроводников. Теперь квантовые точки можно было производить.

Нобелевская премия за квантовые точки

Ошибаются даже клерки из Королевской академии наук Швеции. Письмо с именами лауреатов Нобелевской премии по химии за 2023 год разослали 4 октября в 8.30 – за 4 часа до официальной церемонии объявления победителей. Это несколько снизило пафос церемонии, но не сделало менее важным открытие ученых. В данном случае награждение премией было совершенно справедливым – ведь ее поделили между первооткрывателями явления и тем, кто с делал открытие доступным для всех. Главное – чтобы все смогли его увидеть – и ключевое слово «увидеть».

Виды квантовых точек

Делятся квантовые точки по способу их синтеза: коллоидные и эпитаксиальные.

Коллоидные квантовые точки

синтезируются в растворе путем смешивания реагирующих компонентов и создания перенасыщенного раствора – этот способ разработан Мунги Бавенди и упомянут выше, к нему еще добавилась центрифуга для более точного распределения частиц по размерам.

Эпитаксиальтные квантовые точки

синтезируют на твердой подложке, так выращивают расположенные в разных слоях квантовые точки с различными свойствами. Сочетания квантовых точек будут зависеть от свойств подложки.

Систематизация квантовых точек по типам и видам – дело трудное, поскольку для каждой конкретной задачи можно вырастить квантовую точку определенного размера и формы с заданными свойствами. Геометрически они могут быть самыми разными, включая, например, тетраподы – с четырьмя напоминающими конечностями отростками, круглые, эллиптические, пирамидальные. Точнее определяет типичные черты квантовых точек сфера их применения.

Где используются квантовые точки: сферы применения

Солнечные батареи

Главное общее свойство квантовых точек - способность менять электрофизические и оптические свойства под внешним воздействием. Одна из первых сфер, где искали им применение – фотовольтаические устройства, или солнечные батареи.

Солнечные панели с КТ немного весят, недороги в производстве и неприхотливы в работе – им не нужны для генерации энергии ни высокая температура, ни безветренная погода. Правда, пока панели с КТ уступают по эффективности привычным тонкопленочным солнечным батареям.

Дисплеи, мониторы и телевизоры

В дисплеях, мониторах и телевизорах КТ значительно повышают яркость изображения и величину самих дисплеев. КТ не просто реагируют на воздействие поля, а сами излучают свет. Разработки c квантовыми точками к 2025 году обещают занять на рынках долю в $10,5 млрд.

Их несколько замедляет инерция производства и инвестиций – ведь в ЖК-технологии без квантовых точек вложены десятизначные суммы. Однако в свое время прежние инвестиции и потери от внедрения новшеств не помешали ЖК-дисплеям раз и навсегда выбросить с рынка лучевые трубки. Также помехой является необходимость использования кадмия при производстве КТ, ведется поиск технологии синтеза квантовых точек без применения тяжелых металлов и вредных элементов с затрудненной утилизацией.

Лазерные устройства

Свойство КТ усиливать оптический сигнал не могло не обратить на себя внимание производителей лазеров, поскольку позволит снизить входную мощность и увеличить выходную мощность лазеров. Особенно в свете успехов лазерных технологий в подходах к управляемому термоядерному синтезу. Однако повышение эффективности лазеров с применением квантовых точек в более привычных сферах – в области связи, медицины, электроники произойдет, разумеется, быстрее.

Получение изображения биологических объектов

В университете Урбана-Чемпейн (США) недавно создали молекулярный зонд, который вместо флуоресцентных красителей использовал квантовые точки. В основу лег метод FISH - Fluorescence In Situ Hybridization, или «свечение при гибридизации в клетке». Метод оказался незаменимым для получения трехмерных карт клетки и подсчета РНК в ее ядре. Диагностика, исследования раковых клеток, исследования в области генетики – все это КТ делают намного эффективнее красителей, устойчивая картинка держится больше 10 минут.

Это лишь несколько областей, в которых технологии с использованием квантовых точек обещают стремительное продвижение вперед. Квантовые точки могут прогревать пространство вокруг себя при воздействии на них определенными волнами, доставлять лекарства внутри организма именно в нужную точку, благодаря способности растворяться в строго определённой среде – а есть и куда более приземленные области их применения: уникальные чернила, исключающие подделку подписи и документа в целом, осветительные приборы¸ контрольные устройства в магазинах…

И отдельной строкой стоит сказать, что именно на квантовые точку возлагаются особые надежды в квантовых компьютерах.

Но каждая из этих тем для более подробного изложения потребует большой статьи – а то и книги. Впрочем, они уже написаны. И конечно, вы сами сможете добавить к ним не одну страницу, если, конечно займетесь наукой – и конкретно этой темой профессионально.

Читайте также, зачем нужны квантовые компьютеры: