Что такое точка, знают все. А что такое квантовая точка? Это – полупроводниковый нанокристалл, в котором движение зарядов ограничено в пространстве. В объемном полупроводниковом материале существует валентная зона и зона проводимости, отделенные друг от друга запрещенной зоной. Если энергия электрона увеличивается, он переходит в зону проводимости, а в валентной зоне появляется дырка. В квантовой точке вместо зон существуют дискретные уровни, и ширина запрещенной зоны (Eg) в этом случае есть разница энергий высшего заполненного и низшего свободного электронных уровней.
1) Качественно изобразите энергетическую зонную диаграмму для объемного полупроводника и для квантовой точки. На обоих рисунках отметьте запрещенную зону (1 балл)
2) Что такое «дырка» (с точки зрения структуры)? (1 балл)
Установлено, что для квантовых точек длина волны люминесценции и ширина запрещенной зоны связаны соотношением:
(Eg)2 = (E0)2 + [2×(h/2π)2×E0×(π/r)2] / m, где Eg – ширина запрещенной зоны для квантовой точки, E0 – ширина запрещенной зоны для объемного образца, r – радиус нанокристалла (м), m – эффективная масса электрона. Для селенида кадмия E0 = 2.88×10-19 Дж, m = 1.09×10-31 кг.
3) Что такое люминесценция? (1 балл)
4) Рассчитайте, чему равна длина волны люминесценции (в предположении, что она отвечает ширине запрещенной зоны) для кристалла радиусом 1 см, 1 нм (1 балл).
5) Какой минимальный размер квантовой точки соответствует люминесценции в видимом диапазоне? (1 балл) Необходимые для решения задачи данные найдите самостоятельно.
Один из способов получения наночастиц селенида кадмия – это взаимодействие олеата кадмия Cd(C17H33COO)2 и триоктилфосфинселенида SeP(C8H17)3 в среде дифенилового эфира (C6H5)2O. Реакцию проводят при нагревании до 200°С в течение 5 минут в атмосфере аргона, после чего охлаждают до комнатной температуры. Полученные квантовые точки селенида кадмия осаждают ацетоном.
6) Напишите уравнение реакции получения квантовых точек по указанной выше методике (1 балл).
7) Зачем для протекания реакции нужны такие специфические условия (атмосфера аргона, реагенты, растворители)? Может проще слить горячие водные растворы солей кадмия и подходящего селенида? (3 балла).
8) Где, по-вашему, могут применяться (или уже применяются) квантовые точки на основе селенида кадмия? (2 балла). Будет ли изменяться область применения квантовых точек на основе кремния, сульфида цинка, сульфида свинца? (1 балл)
Условия задачи можно скачать в виде файла.
