Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Наноазбука: квантовые точки

Ключевые слова:  квантовые точки, люминесценция, наноазбука, наноматериалы, периодика

Автор(ы): Елисеев Андрей Анатольевич, Киселева Екатерина Анатольевна, С.Авдошенко (ФНМ МГУ)

Опубликовал(а):  Бухтоярова Екатерина Анатольевна

06 июня 2007

«Квантовые точки - это искусственные атомы, свойствами которых можно управлять»

Ж.И. Алферов, лауреат Нобелевской премии 2000г. по физике за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной и оптоэлектроники



Квантовые точки (КТ) – это изолированные нанообъекты, свойства которых существенно отличаются от свойств объемного материала такого же состава. Сразу следует отметить, что квантовые точки являются скорее математической моделью, нежели реальными объектами. И связано это с невозможностью формирования полностью обособленных структур – малые частицы всегда взаимодействуют с окружающей средой, находясь в жидкой среде или твердой матрице.

Чтобы разобраться в том, что такое квантовые точки, и понять их электронное строение, представьте себе древнегреческий амфитеатр. Теперь вообразите, что на сцене разворачивается увлекательное представление, а зрительские ряды наполнены публикой, пришедшей посмотреть игру актеров. Так вот оказывается, что поведение людей в театре во многом похоже на поведение электронов квантовой точки (КТ). Во время представления актеры передвигаются по арене, не выходя в зрительский зал, а сами зрители следят за действием со своих мест и не спускаются на сцену. Арена – это нижние заполненные уровни квантовой точки, а зрительские ряды – возбужденные электронные уровни, обладающие более высокой энергией. При этом как зритель может находиться в любом ряду зала, так и электрон способен занять любой энергетический уровень квантовой точки, но не может располагаться между ними. Покупая в кассах билеты на представление, все стремились получить самые лучшие места – как можно ближе к сцене. Действительно, ну кто же захочет сидеть в последнем ряду, откуда лицо актера не рассмотришь даже в бинокль! Поэтому, когда перед началом представления зрители рассаживаются, все нижние ряды зала оказываются заполнены, также как в стационарном состоянии КТ, обладающем наименьшей энергией, нижние энергетические уровни полностью заняты электронами. Однако во время представления кто-то из зрителей может покинуть свое место, например, потому что музыка на сцене слишком громко играет или просто сосед неприятный попался, и пересесть на свободный верхний ряд. Вот так и в КТ электрон под действием внешнего воздействия вынужден переходить на более высокий, не занятый другими электронами энергетический уровень, приводя к образованию возбужденного состояния квантовой точки. Наверное, Вам интересно, что при этом происходит с тем пустым местом на энергетическом уровне, где раньше был электрон – так называемой дыркой? Оказывается, посредством зарядовых взаимодействий электрон остается с ней связан и в любой момент может перейти обратно, также как пересевший зритель всегда может передумать и вернуться на обозначенное в его билете место. Пару “электрон-дырка” называют «экситоном» от английского слова “excited”, что означает “возбужденный”. Миграция между энергетическими уровнями КТ, аналогично подъему или спуску одного из зрителей, сопровождается изменением энергии электрона, что соответствует поглощению или излучению кванта света (фотона) при переходе электрона соответственно на более высокий или низкий уровень. Описанное выше поведение электронов в квантовой точке приводит к нехарактерному для макрообъектов дискретному энергетическому спектру, за который КТ часто называют искусственными атомами, в которых уровни электрона дискретны.

Сила (энергия) связи дырки и электрона определяет радиус экситона, который является характеристической величиной для каждого вещества. Если размер частицы меньше радиуса экситона, то экситон оказывается ограничен в пространстве ее размерами, а соответствующая энергия связи значительно изменяется по сравнению с объемным веществом (см. «квантоворазмерный эффект»). Не трудно догадаться, что если энергия экситона изменяется, то изменяется и энергия фотона, излучаемого системой при переходе возбужденного электрона на свое исходное место. Таким образом, получая монодисперсные коллоидные растворы наночастиц различных размеров, можно управлять энергиями переходов в широком диапазоне оптического спектра.

Первыми квантовыми точками были наночастицы металлов, которые синтезировали еще в древнем Египте для окрашивания различных стекол (кстати, рубиновые звезды Кремля получены по близкой технологии), хотя более традиционными и широко известными КТ являются выращенные на подложках полупроводниковые частицы GaN и коллоидные растворы наноокристаллов CdSe. В настоящий момент известно множество способов получения квантовых точек, например, их можно «вырезать» из тонких слоев полупроводниковых «гетероструктур» с помощью «нанолитографии», а можно спонтанно сформировать в виде наноразмерных включений структур полупроводникового материала одного типа в матрице другого. Методом «молекулярно-пучковой эпитаксии» при существенном отличии параметров элементарной ячейки подложки и напыляемого слоя можно добиться роста на подложке пирамидальных квантовых точек, за исследование свойств которых академику Ж.И.Алферову была присуждена Нобелевская премия. Контролируя условия процессов синтеза, теоретически можно получать квантовые точки определенных размеров с заданными свойствами.

Квантовые точки до сих пор являются «молодым» объектом исследования, но уже вполне очевидны широкие перспективы их использования для дизайна лазеров и дисплеев нового поколения. Оптические свойства КТ используются в самых неожиданных областях науки, в которых требуется перестраиваемые люминесцентные свойства материала, например, в медицинских исследованиях с их помощью оказывается возможным “подсветить” больные ткани. Люди, мечтающие о «квантовых компьютерах», видят в квантовых точках перспективных кандидатов для построения кубитов.

Литература

Н. Кобаяси. Введение в нанотехнологию. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007, 134 с.

В.Я. Демиховский, Г.А. Вугальтер Физика квантовых низкоразмерных структур. М.: Логос, 2000.


В статье использованы материалы: Нанометр


Средний балл: 8.9 (голосов 16)

 


Комментарии
Nikolay A Mirin, 13 июня 2007 11:57 
Статья неполная, мало используемой литературы.
Автор был ленив, либо работал из-под палки даром.

Пример наночастиц металлов никакого отношения в квантовым точкам не имеет.

Это совершенно различные объекты:

1) Наночастицы металла с оптическим резонансом
как правило больше чем квантовые точки
раз в 10.
2) Природа явлений абсолютно разная,
характерные времена разные:

Упругое когерентное рассеяние и поглощение света
наночастицами металлов, вследствие
коллективного резонанса электронного
облака металла.

Флюоресценция (неупругое некогерентное
рассеяние света) квантовых точек
вследствие единичных электронных переходов
(возбуждение экситонных состояний).
Замечания верные. Учтем в конечной версии. Проблема только в том, что автор хотел продлить "старость" "квантовых точек" вплоть до Египта.
Привет Коль, давно тебя не видел.
По КТ - есть очень интересный вопрос - попытайся дать определение квантовых точек (желательно достаточно строгое) - я, лично, голову сломал пытаясь найти его в книжках или сети.
Кстати, литература здесь - не используемая, а ссылки на то, что можно почитать из достаочно простого по этой теме
Хорошее определение:
"Квантовая точка - это электронное устройство, способное "захватывать" электроны и удерживать их в малом пространстве" (Wil McCarthy "Matter as Software")
Простите, уважаемые коллеги, но флюоресценция (или шире, различные виды люминесценции) характерны не только для квантовых точек: например, флюорит, светодиоды и др...
Другое дело, что, например, от кремния "массивного" получить фотолюминесценцию нельзя, а от КТ - можно при диаметре <5 нм.
А процессы возбуждения электронов и излучения света, описанные в статье - это же основа оптической спектроскопии.
Иржак Артемий Вадимович, 30 января 2008 12:09 
Квантовая точка - объект в котором реализован квантово-размерный эффект в трех направлениях.
Так же бывают квантовые плоскости -одномерное пространственное ограничение, квантовые проволоки - двумероне ограничение
Алферову Нобелевскую премию дали за гетеропереход, вернее за полученные качественные лазерные структуры на двойных гетеропереходах. Работа порядка 20-летней давности, квантовыми точками там и не пахло...
Хотелось бы об люминисценции попроще, чтобы понять нам, начинающим школьникам. И желательно конкретные ссылки, чтобы можно найти материал.
Rhenium75, 29 июня 2010 22:24 
немного детская статья - слишком много сравнения с амфитеатром, пока прочитаешь, то уже забудешь суть вопроса) можно было бы понятнее дать определение, сразу описывая свойства полупроводников и запрещенные зоны. Наночастицы в Египте)) и всей этой "воде" отведена большая часть статьи, главному - всего-то несколько абзацев!
MikkiTA, 19 ноября 2010 14:46 
Rhenium75, полностью согласен. Но написано же-
научно-ПОПУЛЯРНАЯ статья-отсюда и все минусы.
Меня интересует такой вопрос, Артемий
Вадимович: откуда взято Ваше определение
квантовых точек?

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Каменный цветок
Каменный цветок

Конкурс научной иллюстрации «Cнимай науку для Википедии»
Цель конкурса «Cнимай науку для Википедии» - популяризации науки и иллюстрирование статей энциклопедии Википедия, посвящённых науке.
Конкурс проводится совместно с телеканалом «Наука», прием работ до 30 сентября 2018 года включительно.

Конкурс «Энергия молодости» - 2018
Ассоциация «Глобальная энергия» продлевает срок приема заявок (до 21 октября) на участие в XV Общероссийском конкурсе молодежных исследовательских проектов в области энергетики «Энергия молодости».

9 сентября - интерактивный NANOквест на ВДНХ
ФИОП предлагает участникам фестиваля #ВместеЯрче пройти интерактивный NANOквест. NANOквест будет работать 9 сентября 2018 года с 10:00 до 19:00 на площади Промышленности ВДНХ (около макета ракеты) рядом с павильоном 20. Там же, на площадке NANOквеста будут вести предварительную запись желающих пройти его.

Эксперт: Ингредиенты готовы к началу реакции
Вера Колерова
Малотоннажная химия по-прежнему не в фаворе у бизнеса и власти. Первый не идет в этот сектор из-за больших вложений и долгих сроков окупаемости. А правительство приняло всего лишь дорожную карту развития этой подотрасли. Но предпосылки для ее подъема все-таки есть. Важно не упустить момент ...

Оптическая жизнь дисульфидных нанотрубок
А.Ю.Поляков, Е.А.Гудилин
Недавно полученные экспериментальные результаты позволяют рассматривать нанотрубки дисульфида вольфрама в качестве основы для новых фотонных устройств, элементов оптических схем. Кроме того, знания о нетривиальных оптических особенностях данных наноструктур позволят по-новому взглянуть на свойства композитов плазмонных наночастиц золота и серебра с дисульфидными нанотрубками.

Наноматериалы в ядерных технологиях
Тананаев И.Г.
Сегодня активное развитие ядерных технологий – мировая тенденция, связанная с обеспечением устойчивого развития мирового сообщества. Решение энергетических проблем путем строительства новых атомных станций, формирование персонифицированной высокотехнологической медицины за счет внедрения ядерной медицины, освоение Арктики и космического пространства – основы ядерных технологий, не говоря об обеспечении государственной безопасности и удержания паритета ядерных вооружений.

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.