Що таке квантові точки й чому вони одержали назву «штучні атоми» (до теми «Атомні спектри. Випромінювання та поглинання світла атомами»)

Л. С. Недбаєвська, доцент кафедри фізики Миколаївського національного університету імені В. О. Сухомлинського, м. Миколаїв


Пояснюючи учням на уроці механізм утворення лінійчатих спектрів випромінювання й поглинання світла на основі квантових переходів між рівнями енергії в атомах, учитель може розповісти учням про квантові точки, властивості яких схожі з властивостями звичайних атомів.
 
Використання прийому порівняння оптичних властивостей атома й квантової точки буде сприяти кращому засвоєнню учнями основного матеріалу, водночас вони познайомляться з одним із сучасних наноматеріалів, якому науковці пророкують велике майбутнє.
 
Квантова точка — це відносно невеликий (не більш ніж 10 нм) шматочок напівпровідника, який обмежений за всіма трьома просторовими вимірами й містить електрони провідності. Електрон у такій наночастинці має багато стаціонарних рівнів енергії. Під зовнішньою дією електрон може переходити (як і в атомі) на  вищий енергетичний рівень, який не зайнятий іншими електронами. Це приводить квантову точку до збудженого стану. На тому місці, де був електрон, виникає дірка. Завдяки зарядовій взаємодії електрон залишається зв’язаним із діркою. Виникає квазічастинка «електрон-дірка», яку називають «ексітон», що означає «збуджений». Потім електрон може перейти на більш низький енергетичний рівень й аналогічно до збудженого атома випромінювати фотон.
 
  • Ядро — CdSe, CdS
  • Оболонка ядра — ZnS, CdS, ZnSe
  • Амфифільна поверхня
 
Таким чином, електрони у квантовій точці поводяться так само, як і в атомі, тому квантова точка й дістала назву «штучний атом». Але «штучний атом», на відміну від звичайного, не має ядра.
 
Якщо енергія ексітона змінюється, то змінюється й енергія випромінюваного фотона. Якщо у звичайних атомів спектр випромінювання ми не можемо змінювати, то частотами переходів у квантовій точці можна керувати, змінюючи розміри наночастинок. Таким чином, одержуючи наночастинки різних розмірів — а це вміють робити нанотехнологи — можна керувати енергіями переходів у широкому діапазоні оптичного спектру.
 
Людське око розрізняє фотони за частотою (довжиною хвилі), ми сприймаємо частоту фотона як колір. Квантова точка завжди світиться тільки одним кольором, який залежить від її розмірів.
 
Чим крупніша квантова точка, тим сильніше колір зміщується в червону область (див. рис.). Регулюючи розмір квантової точки, ми можемо змінювати колір світла, який випромінюється квантовою точкою.
 
 
Квантові точки забезпечують у нанопристроях перетворення енергії електрона на енергію фотона або, навпаки, енергію фотона на енергію електрона. Кількість атомів у квантових точках — 101036− одиниць.
 
Квантові точки вже мають широке застосування. Вони є зручним інструментом для біологів, які намагаються розгледіти різні структури всередині живих клітин. Річ у тому, що різні клітинні структури однаково прозорі й не пофарбовані. Якщо дивитися на клітину в мікроскоп, то нічого, окрім її країв, не побачиш. Щоб зробити помітною певну структуру клітини, різні внутрішньоклітинні структури розфарбовують у різні кольори за допомогою квантових точок.
 
На основі квантових точок створені перші прототипи дисплеїв, світлодіодні лампи. Велику роботу з дослідження властивостей квантових точок здійснив колектив російських науковців під керівництвом Ж. І. Алфьорова (Нобелівська премія, 2000 р.). 1995 року він уперше у світі продемонстрував інжекційний гетеролазер на квантових точках, який працює в неперервному режимі за кімнатної температури. Дослідження Ж. І. Алфьорова започаткувало принципово нову електроніку на основі гетероструктур із дуже широким діапазоном застосування, відому сьогодні як «зонна інженерія».
 
Dounload PDF

Відгуки читачів

Залиште перший відгук.

Залишити відгук

Ваше ім'я
E-mail (не публікується)
Відгук
Введіть 9213
 
Догори