Квантовая точка

Энергетический спектр квантовой точки определяется профилем потенциальной энергии ${\displaystyle U({\vec {r}})}$ частицы в ней и может быть найден посредством решения трёхмерного стационарного уравнения Шрёдингера.

Например, если ${\displaystyle U=0}$ в области ${\displaystyle 0<x<L}$, ${\displaystyle 0<y<L}$, ${\displaystyle 0<z<L}$ и ${\displaystyle U=+\infty }$ вне этой области, то

${\displaystyle E={\frac {\pi ^{2}\hbar ^{2}}{2mL^{2}}}\left(n_{x}^{2}+n_{y}^{2}+n_{z}^{2}\right)}$,

где ${\displaystyle n_{x}}$, ${\displaystyle n_{y}}$, ${\displaystyle n_{z}}$ — натуральные числа, аналогично уровням энергии в квантовой яме с бесконечными стенками.

Если ${\displaystyle U=0}$ в сферической области ${\displaystyle 0<r<R}$ и ${\displaystyle U=+\infty }$ вне неё (это одно из адекватных приближений для реальных точек), то[3]

${\displaystyle E={\frac {\hbar ^{2}}{2mR^{2}}}\cdot \left(b_{n}^{l}\right)^{2}}$,

где ${\displaystyle l}$ — неотрицательное целое число, а ${\displaystyle b_{n}^{l}}$ — ${\displaystyle n}$-й корень функции Бесселя полуцелого индекса ${\displaystyle J_{l+1/2}(b)}$; для ${\displaystyle l=0}$ будет ${\displaystyle b_{n}^{l}=\pi n}$, а для других ${\displaystyle l}$ имеются таблицы нулей[4].

Наконец, если ${\displaystyle U=m\omega ^{2}r^{2}/2}$ (трёхмерный квантовый гармонический осциллятор, также являющийся неплохим приближением для реальных точек; ${\displaystyle \omega }$ = const), то[5]

${\displaystyle E=\hbar \omega \cdot \left(n_{x}+n_{y}+n_{z}+{\frac {3}{2}}\right)}$.

Квантовые точки были впервые получены в 1981 году Алексеем Екимовым[6][К 1], а затем, в 1983 году, Луисом Брюсом в коллоидных растворах[8][9]. Теория квантовых точек была впервые представлена Александром Эфросом в 1982 году[10]. А. И. Екимов, А. Л. Эфрос и Л. Брюс за открытие квантовых точек были награждены Премией Р. В. Вуда (2006)[11]. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом[12]. Первыми квантовыми точками были микрокристаллы CuCl, выращенные в стёклах[6][К 1]. В 1993 году появился метод синтеза квантовых точек из селенида кадмия в форме коллоидных нанокристаллов, где каждая квантовая точка представляет собой изолированный объект[13]. Квантовый выход флуоресценции таких точек был всего 10 %[14]. Его существенного увеличения удалось добиться формированием оболочки вокруг ядра.

В июне 2013 года в Physical Review Letters была опубликована статья с результатами открытия, сделанного учёными из индийского Института науки в Бангалоре. Согласно ему, квантовые точки, созданные на базе сплава цинка, кадмия и серы, легированного марганцем, светятся не только оранжевым цветом, как считалось до сих пор, а люминесцируют в диапазоне от тёмно-зелёного до красного. Практическая значимость открытия состоит в том, что квантовые точки из легированных марганцем сплавов прочнее, эффективнее и безопаснее.

Наиболее изучены квантовые точки на основе селенида кадмия. Но с появлением законодательства, ограничивающего использование материалов на основе тяжелых металлов[15], технологии стали развиваться в сторону производства квантовых точек, не содержащих кадмий.

Коллоидная квантовая точка, покрытая слоем стабилизатора

Различают два типа квантовых точек (по способу создания):

• эпитаксиальные квантовые точки;
• коллоидные квантовые точки.

• Широкий спектр поглощения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения.
• Узкий и симметричный пик флуоресценции (без «хвоста» в красной области, как у органических красителей, полуширина пика флуоресценции 25—40 нм), что обеспечивает чистый цвет: точки размером 2 нм — голубой, 3 нм — зеленый, 6 нм — красный[16].
• Высокая яркость флуоресценции (квантовый выход >50 %).
• Высокая фотостабильность.

Большинство свойств КТ, в том числе цвет излучения, зависит от размеров, формы и материалов, из которых они изготовлены.

Квантовой точкой может служить кристалл полупроводника, в котором реализуются квантово-размерные эффекты вследствие достаточно малого размера. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними ${\displaystyle \hbar ^{2}/(2md^{2})}$; 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.

Квантовая точка состоит из ядра и защитной оболочки из материала с более широкой запрещенной зоной. Она уменьшает дефекты на поверхности ядра, что приводит к повышению квантового выхода флуоресценции до 90 %, предотвращает деградацию квантовой точки и высвобождение токсичных ионов кадмия. Материалом ядра могут быть CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, сплавы CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg; оболочки — ZnS, CdS, ZnSe. У квантовых точек для биомедицинских исследований есть ещё два слоя: стабилизатор и слой инертных молекул (пептиды, липиды) или нейтральная гидроксильная оболочка. Стабилизатор — кремниевая, полимерная или силиконовая оболочка — обеспечивает защиту внутренних структур от агрессивного воздействия окружающей среды, определяет способность квантовых точек диспергироваться в растворители и возможность прививки к их поверхности различных биологически активных молекул, которые будут доставлять квантовые точки к нужным тканям и клеткам. Липиды используются для уменьшения неспецифичного связывания[17].

Квантовые точки могут быть различной формы и размера, но чаще всего это сферы диаметром 2—10 нм, и состоят они из 10³—10⁵ атомов[1].

Квантовые точки являются перспективными материалами в медицине, биологии, оптике, оптоэлектронике, микроэлектронике, полиграфии, энергетике.

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[18]. Оптические свойства этих нанокристаллов  используются в самых неожиданных исследованиях, в которых требуется удобная, перестраиваемая люминесценция, например в биологических исследованиях. Например, квантовые точки разных размеров проникают в разные части клеток и окрашивают их в разные цвета[19][20].

Квантовые точки всё больше используются в качестве биомаркеров для визуализации в медицине, например для окрашивания опухолей или аутоиммунных антител, доставки лекарств к нужным тканям (присоединяя лекарственные вещества к наночастицам, можно более точно нацеливать их на опухоли)[21].

Ещё недавно о широком применении квантовых точек в электронике 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. Компания LG Display ещё в 2010 году создала первые прототипы дисплеев на основе квантовых точек[22]. В 2015 году TPV Technology разработала совместно с QD Vision и выпустила в продажу первый потребительский монитор 276E6ADS на базе квантовых точек[23]. В настоящее время жк-панели с подсветкой на квантовых точках (QD-LED) устанавливают в свои телевизоры Samsung, LG Electronics, Sony, TCL Corporation, Hisense. Существует программа создания устройств отображения, где сами квантовые точки будут выступать в роли светоизлучателей[24].

Возможное применение квантовых точек: полевые транзисторы, фотоэлементы, LED, лазерные диоды[1]. Компания Nexxus Lighting в 2009 году выпустила светодиодную лампу с использованием квантовых точек[25].

На основе КТ можно изготавливать покрытия, изменяющие излучение существующих источников света или солнечного света, что может быть применимо, например, в сельском хозяйстве для преобразования ультрафиолетового света в красный, который полезен растениям.

Квантовые точки также применяются в гибридных солнечных батареях в качестве материала, преобразующего солнечную энергию в постоянный электрический ток. Использование квантовых точек в многослойных солнечных батареях позволяет добиться более эффективного поглощения солнечного излучения, так как они могут поглощать свет в более широком диапазоне (включая инфракрасный и ультрафиолетовый), чем традиционные солнечные элементы[26].

UbiQD, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, Лос-Аламосская национальная лаборатория разрабатывают люминесцентный солнечный концентратор (LSC) на квантовых точках[27][28].

Квантовые точки могут входить в состав чернил для защиты документов и ценных бумаг от фальсификации[29][30].

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

В нефтегазовой отрасли квантовые точки применяются в технологии маркерных исследований горизонтальных скважин компании GeoSplit[31].

Существует два главных метода создания квантовых точек: эпитаксия и синтез в коллоиде.

Эпитаксия — метод выращивания кристаллов на поверхности подложки:

• молекулярно-лучевая эпитаксия,
• газофазная эпитаксия.

Выращивают в основном соединения из элементов III (Ga, Al, In) и V ( As, P, Sb) группы таблицы Менделеева — A^IIIB^V. На основе таких КТ созданы полупроводниковые лазеры и СВЧ-транзисторы.

Коллоидный синтез, при котором вещества смешиваются в растворе. 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. Особый интерес представляют флуоресцирующие квантовые точки, получаемые методом коллоидного синтеза, например квантовые точки на основе халькогенидов кадмия в зависимости от своего размера флуоресцируют разными цветами.

Квантовые точки для дисплеев производит компания Nanosys. Свою технологию QDEF (Quantum Dot Enhancement Film — улучшающая плёнка с квантовыми точками) она представила на выставке SID (Society for Information Display) в 2011 году. Первыми лицензиатами данной технологии стали Samsung Electronics и 3M.

В 2004 году для разработки технологии QLED была основана лаборатория QD Vision (США, Лексингтон (Массачусетс)). Изначально предполагалось изготовление из квантовых точек непосредственно субпикселей матрицы дисплея, но технология оказалась сложной и затратной, и компания сконцентрировалась на усовершенствовании подсветки на квантовых точках жк-дисплеев[32]. Внедрить технологию в производство телевизоров удалось благодаря сотрудничеству с LG, Sony, TCL Group и Samsung, которая и купила QD Vision в 2016 году[33].

Собственной технологией производства бескадмиевых квантовых точек обладает компания Nanoco, созданная в 2001 году в Манчестере. Компания выпускает плёнку CFQD^® для средств отображения и садоводческого освещения[34]. Её завод находится в Ранкорне.

Производством QD-материалов занимается компания Dow Chemical. В 2013 году она получила лицензию от Nanoco на производство, маркетинг и продажу её материалов. К 2015 году Dow Chemical построила завод в Чхонане (Южная Корея) и наладила производство квантовых точек, не содержащих кадмия[35]. Вместо него используется индий. Первые телевизоры с данной технологией были представлены Samsung и LG на выставке CES 2015.

Разработкой собственной QD-технологии занимается компания Merck Group[36].

В России в 2011—2014 годах квантовые точки под брендом QDLight производило микропредприятие «Научно-технологический испытательный центр „Нанотех-Дубна“» в рамках совместного проекта с РОСНАНО и ФГУП «Научно-исследовательский институт прикладной акустики»[37][38]. В 2017 году оно было ликвидировано[39].

Квантовые точки для создания солнечных элементов производят Quantum Materials Corporation и её дочерняя компания Solterra Renewable Technologies — по собственной запатентованной технологии[26] и QD Solar.

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

• Российская корпорация нанотехнологий (недоступная ссылка)
• Телевизор на квантовых точках (рус.). TV-Smart.Ru (16 января 2015). Дата обращения: 11 апреля 2019.
• Онищенко Е. Полупроводниковые гетероструктуры (рус.). Scientific.ru (Междисциплинарный научный сервер). Дата обращения: 11 апреля 2019.
• Создана логическая схема на квантовых точках (рус.). membrana.ru (18 января 2006). Дата обращения: 11 апреля 2019.
• Квантовые точки и где они обитают (рус.). gagadget.com. Дата обращения: 11 апреля 2019.
• Кульбачинский В. А. Полупроводниковые квантовые точки (рус.) // Соросовский образовательный журнал : журнал. — 2001. — Т. 7, № 4. — С. 98—104.