Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1. Схематическое изображение уровней энергии и энергетических зон электрона в полупроводнике. Под действием синего света электрон (белый кружок) отрывается от атома, переходя в зону проводимости. Через некоторое время он спускается на самый нижний энергетический уровень этой зоны и, испуская квант красного света, переходит обратно в валентную зону.
Рисунок 2. Флюоресценция взвесей коллоидных частиц CdTe различного размера (от 2 до 5 нм, слева направо). Все колбы освещаются сверху синим светом одинаковой длины волны. Взято из H. Weller (Institute of Physical Chemistry, University of Hamburg).
Рисунок 3. Зависимость среднего числа ближайших соседей по кристаллической решётке (ордината) от диаметра частицы платины в ангстремах (абсцисса). Взято из Frenkel с сотр. (J. Phys. Chem., B, v.105:12689, 2001).
Рисунок 4. Зависимость потенциала ионизации (работы выхода, в эВ) от числа атомов N в наночастице железа. Взято из лекции E. Roduner (Stuttgart, 2004).
Рисунок 5. Раскрашивание разных внутриклеточных структур в разные цвета с помощью квантовых точек. Красное – ядро; зелёные – микротрубочки; жёлтый – аппарат Гольджи. Источник.

Почему цвет наночастиц может зависеть от их размера?

Ключевые слова:  довузовское образование, квантовые точки, наноазбука, наноптика, периодика

Автор(ы): Богданов Константин Юрьевич

Опубликовал(а):  Богданов Константин Юрьевич

20 февраля 2008

В наномире изменяются многие механические, термодинамические и электрические характеристики вещества. Не являются исключением и их оптические свойства. Они тоже изменяются в наномире.

Нас окружают предметы обычных размеров, и мы привыкли к тому, что цвет предмета зависит только от свойств вещества, из которого он сделан или красителя, которым покрашен. В наномире это представление оказывается несправедливым, и это отличает нанооптику от обычной.

Лет 20-30 тому назад «нанооптики» вообще не существовало. Да и как могла быть нанооптика, если из курса обычной оптики следует, что свет не может "чувствовать" нанообъекты, т.к. их размеры существенно меньше длины волны света λ = 400 – 800 нм. Согласно волновой теории света нанобъекты не должны иметь тени, и свет от них не может отражаться. Сфокусировать видимый свет на площади, соответствующей нанообъекту, тоже нельзя. Значит, и увидеть наночастицы невозможно.

Однако, с другой стороны, световая волна всё-таки должна действовать на нанообъекты, как и любое электромагнитное поле. Например, свет, упав на полупроводниковую наночастицу, может своим электрическим полем оторвать от её атома один из валентных электронов. Этот электрон на некоторое время станет электроном проводимости, а потом опять вернётся «домой», испустив при этом квант света, соответствующий ширине «запрещённой зоны» - минимальной энергии, необходимой для того, чтобы валентному электрону стать свободным (см. рис.1).

Таким образом, полупроводники даже наноразмеров должны чувствовать падающий на них свет, испуская при этом свет меньшей частоты. Другими словами, полупроводниковые наночастицы на свету могут становиться флуоресцентными, испуская свет строго опредёлённой частоты, соответствующей ширине «запрещённой зоны».

Светиться в соответствии с размером!

Хотя о флюоресцентной способности полупроводниковых наночастиц было известно ещё в конце XIX века, подробно это явление было описано лишь в самом конце прошлого века (Bruchez с сотр., Science, v. 281: 2013, 1998). И самое интересное, оказалось, что частота света, испускаемого этими частицами, уменьшалась с увеличением размера этих частиц (рис. 2).

Как показано на рис. 2, цвет взвеси (суспензии) наночастиц зависит от их диаметра. Зависимость цвета флюоресценции, т.е. её частоты, ν от размера наночастицы означает, что от размера частицы зависит также и ширина «запрещённой зоны» ΔЕ. Глядя на рисунки 1 и 2, можно утверждать, что при увеличении размеров наночастиц ширина «запрещённой зоны», ΔЕ должна уменьшаться, т.к. ΔЕ = hν. Такую зависимость можно объяснить следующим образом.

«Оторваться» легче, если вокруг много соседей

Минимальная энергия, необходимая для отрыва валентного электрона и перевода его в зону проводимости, зависит не только от заряда атомного ядра и положения электрона в атоме. Чем больше вокруг атомов, тем легче оторвать электрон, ведь ядра соседних атомов тоже притягивают его к себе. Этот же вывод справедлив и для ионизации атомов (см. рис. 3).

На рис. 3. показано, как меняется среднее число ближайших соседей у атома платины при увеличении диаметра частицы. Когда число атомов в частице невелико, значительная их часть расположена на поверхности, а значит, среднее число ближайших соседей гораздо меньше того, которое соответствует кристаллической решетке платины (11). При увеличении размеров частицы среднее число ближайших соседей приближается к пределу, соответствующему данной кристаллической решётке.

Из рис. 3 следует, что ионизовать (оторвать электрон) атом тяжелее, если он находится в частице малых размеров, т.к. в среднем у такого атома мало ближайших соседей. На рис. 4 показано, как изменяется потенциал ионизации (работа выхода, в эВ) для наночастиц, содержащих различное число атомов железа N. Видно, что при росте N работа выхода падает, стремясь к предельному значению, соответствующему работе выхода для образцов обычных размеров. Оказалось, что изменение Авых с диаметром частицы D можно довольно хорошо описать формулой:

Авых = Авых0 + 2Ze2/D , (1)

где Авых0 - работа выхода для образцов обычных размеров, Z– заряд атомного ядра, а e– заряд электрона.

Очевидно, что ширина «запрещённой зоны» ΔЕ зависит от размеров полупроводниковой частицы таким же образом, как и работа выхода из металлических частиц (см. формулу 1) – уменьшается с ростом диаметра частицы. Поэтому длина волны флюоресценции полупроводниковых наночастиц растёт с ростом диаметра частиц, что и иллюстрирует рисунок 2.

Квантовые точки – рукотворные атомы

Полупроводниковые наночастицы часто называют «квантовыми точками». Своими свойствами они напоминают атомы – «искусственные атомы» имеющие наноразмеры. Ведь электроны в атомах, переходя с одной орбиты на другую, тоже излучают квант света строго определённой частоты. Но в отличие от настоящих атомов, внутреннюю структуру которых и спектр излучения мы изменить не можем, параметры квантовых точек зависят от их создателей, нанотехнологов.

Квантовые точки уже сейчас являются удобным инструментом для биологов, пытающихся разглядеть различные структуры внутри клеток. Дело в том, что различные клеточные структуры одинаково прозрачны и не окрашены. Поэтому, если смотреть на клетку в микроскоп, то ничего, кроме её краёв и не увидишь. Чтобы сделать заметной определённую структуру клетки, были созданы квантовые точки, способные прилипать к определённым внутриклеточным структурам (рис. 5).

Чтобы раскрасить клетку на рис. 5 в разные цвета, были сделаны квантовые точки трёх размеров. К самым маленьким, светящимся зелёным светом, приклеили молекулы, способные прилипать к микротрубочкам, составляющим внутренний скелет клетки. Средние по размеру квантовые точки могли прилипать к мембранам аппарата Гольджи, а самые крупные – к ядру клетки. Когда клетку окунули в раствор, содержащий все эти квантовые точки, и подержали в нём некоторое время, то они проникли внутрь и прилипли туда, куда могли. После этого клетку сполоснули в растворе, не содержащем квантовых точек, и положили под микроскоп. Как и следовало ожидать, вышеупомянутые клеточные структуры стали разноцветными и хорошо заметными (рис. 5).

Автор благодарит Илью Гольдта за несколько полезных замечаний, которые были включены в настоящую версию статьи.

Информацию о других "загадочных" явлениях наномира можно найти в научно-популярной лекции «Что могут нанотехнологии», а ссылки на другие публикации - на личной страничке автора.


В статье использованы материалы: Сайт К.Ю.Богданова


Средний балл: 9.3 (голосов 14)

 


Комментарии
Факт!
Крауклис Ирина Валерьевна, 20 февраля 2008 18:03 
Помнится, когда мы были школьниками, получить цветовой ряд можно было двумя способами: оптическим - пропусканием белого света через стеклянную призму; и химическим - получением комплексных соединений различной окраски. Такие олимпиадные задачки были. У нынешних школьников в арсенале появляются более продвинутые способы!
Гольдт Илья, 22 февраля 2008 15:37 
Позволю не согласится с автором, зависимость оптических свойств наноразмерных полупроводниковых частиц от размера известна как минимум с 80-х годов. Заявление что 10-15 лет назад этого не было - это не правда. Просто для таких частиц не использовался широко термин наночастица..
Гольдт Илья, 22 февраля 2008 15:38 
"Флуоресцентная способность полупроводниковых наночастиц была обнаружена в самом конце прошлого века" - это совсем не правда, в 19 веке это на 100% знали
Илья, спасибо за уточнения. Если будет возможность, я обязательно исправлю текст, вставив Вашу историческую справку.
Симпатично написано! Вот только формула (1)? Обычно последнее слагаемое пишут в виде е^2/2R (в атомных единицах). R - радиус металлической сферы. И заряд ядра не играет роли, если электроны коллективизированы.т.е. атомов в кластере десятки и больше.
последнее слагаемое -это энергия сферического конденсатора, заряженного одним электроном. R - электрическая емкость.
Очень интересная статья,красивое оформление,достоверные факты.Желаю успехов вдальнейших статьях.
Чернышов Иван Юрьевич, 26 декабря 2008 22:56 
Валентин Вальтерович, спасибо большое за уточнение
Хотелось бы получить уточнение как происходит свечение. Где это можно посмотреть? Желательно на уровне младшего школьника - 6-8 класса.
Жаль, что эту публикацию никто не смотрел так долго. Разве не интересно?
Фомин Евгений Фёдорович, 05 февраля 2010 18:47 
Огромное спасибо - получил большое эстетическое удовольствие. Вот только вывода формулы (1) ооочень не достаёт...
Добрый вечер!
Отличная статья! Какой молодец, Константин Юрьевич! Действительно, жаль, что пропустила ранее эту заметку,... хотя уже и знакома с материалами автора по книге "Что могут нанотехнологии"

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

 

Цветок
Цветок

Опубликованы задачи для школьников по физике
Обновлен раздел с условиями задач заочного тура для школьников по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология" XII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!". Загружены задачи по физике.

Встреча с главным редактором журнала Nature Nanotechnology
23 ноября в 13.30 в аудитории 446 химического факультета состоится встреча с главным редактором журнала Nature Nanotechnology Dr. Fabio Pulizzi. Приглашаются все желающие.

Приглашаем всех на неделю науки МГУ!
С 27 по 30 ноября 2017 года на базе Химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова в рамках XII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям пройдет Неделя науки. Приглашаются школьники и их родители, студенты, аспиранты, молодые ученые, учителя и преподаватели. Для слушателей без пропуска МГУ необходима предварительная регистрация.

Вспомнить все (total recall). Часть 3. Методы исследований в нанотехнологиях (практика)
Коллектив авторов
В третьей части рассматриваются экспериментально - практические материалы, связанные с методами анализа продуктов нанотехнологий, в том числе стандартные аналитические, физико – химические и структурные методы анализа. Участники могут изучать отдельно данный курс или комбинировать его с двумя предыдущими.

Вспомнить все (total recall). Часть 2. Решение задач и проектная работа (образование и самоподготовка)
Коллектив авторов
Во второй части рассматриваются обзорные материалы материалы по нанотехнологическому образованию и проектной деятельности (Раздел А), текстовый и иллюстративный материал по образовательным и социальным аспектам с сфере нанотехнологий (Раздел Б), а также самый важный раздел для подготовки к Олимпиадам данной серии, содержащий сборники заданий и решений за 10 олимпиадных лет (Раздел В).

Вспомнить все (total recall). Часть 1. Наноматериалы и нанотехнологии (теоретические аспекты)
Коллектив авторов
В первой части рассматриваются теоретические материалы, сгруппированные по важнейшим темам (Раздел А), уровню сложности (Раздел Б), для свободного чтения по основным группам рубрикатора РОСНАНО (Раздел В), а также для прохождения викторин самоконтроля (Раздел Г).

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

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!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.



 
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.