XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Квантовая точка - это кусочек полупроводника или другого материала, размеры которого очень малы. Критерием малости размеров служит проявление квантовых эффектов в квантовых точках. При этом электрические и другие характеристики квантовой точки зависят от ее размера и формы. Чем меньше размер кристалла, тем больше расстояние между энергетическими уровнями. Например, при переходе электрона на энергетический уровень ниже, испускается фотон. Так как мы можем регулировать размер квантовой точки, то мы можем изменять энергию испускаемого фотона, а значит, мы можем изменять цвет испускаемого квантовой точкой света. Основное преимущество квантовой точки заключается в возможности высокоточного контроля над её размером, а следовательно и над проводимостью, что позволяет создавать флуорофоры, то есть источники, которые могут излучать под действием поля других источников накачки, разных цветов.

Рис 1. - Квантовые точки, люминесцирующие в видимой области от фиолетового до красного [1]

Флюорофор— фрагмент молекулы, придающий ей флуоресцентные свойства (аналог люминисценции). Аналог хромофора.

Очень часто флуорофором является карбо- или гетероциклическое ядро, которое поглощает энергию определённой длины волны и после этого выделяет энергию другой длины волны.

Количество энергии и длина волны излучаемого света зависят как от химической природы флюорофора, так и от параметров его окружения (вязкости, полярности, диэлектрической проницаемости и др.).

Обычно квантовой точкой является кристалл полупроводника, в котором реализуются квантовые эффекты. Электрон в таком кристалле чувствует себя как в трех мерной потенциальной яме и имеет много уровней энергии. Соответственно при переходе с одного уровня на другой квантовой точкой может излучать фотон. При всем при этом переходами легко управлять меняя размеры кристалла. Возможно также перекинуть электрон на высокий энергетический уровень и получать излучение от перехода между более низколежащими уровнями и как следствия получаем люминесценцию. Собственно, именно наблюдение данного явления и послужило первым наблюдением квантовых точек.

Рис 2. - Тоник при облучении видимым (слева) и ультрафиолетовым (справа) светом. Голубая флуоресценция обусловлена наличием в напитке производных хинина [2]

Уникальные свойства квантовых точек

Как физический объект квантовые точки известны довольно давно, являясь одной из интенсивно развиваемых сегодня форм гетероструктур. Но следует отметить, что свое название они получили только в 80х годах прошлого столетия. Особенностью квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов является то, что каждая точка — это изолированный и мобильный объект, находящийся в растворителе. Такие нанокристаллы можно использовать для построения различных ассоциатов, гибридов, упорядоченных слоев и т.п., на основе которых конструируют элементы электронных и оптоэлектронных устройств, пробники и сенсоры для анализов в микрообъемах вещества, различные флуоресцентные, хемилюминесцентные и фотоэлектрохимические наноразмерные датчики.

Причиной стремительного проникновения полупроводниковых нанокристаллов в разнообразные области науки и технологии являются их уникальные оптические характеристики:

узкий симметричный пик флуоресценции (в отличие от органических красителей, для которых характерно наличие длинноволнового «хвоста»; рис. 3, слева), положение которого регулируется выбором размера нанокристалла и его составом (рис. 3);

широкая полоса возбуждения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения (рис. 3, слева). Это достоинство принципиально при создании систем многоцветного кодирования;

высокая яркость флуоресценции, определяемая высоким значением экстинкции и высоким квантовым выходом (для нанокристаллов CdSe/ZnS — до 70%);

уникально высокая фотостабильность (рис. 3, справа), что позволяет использовать источники возбуждения высокой мощности.

Рис 3. - Спектральные свойства кадмий-селеновых (CdSe) квантовых точек. Слева: Нанокристаллы разных цветов можно возбудить одним источником (стрелкой показано возбуждение аргоновым лазером с длиной волны 488 нм). На врезке — флуоресценция CdSe/ZnS нанокристаллов разных размеров (и, соответственно, цветов), возбуждаемых одним источником света (УФ-лампа). Справа: Квантовые точки чрезвычайно фотостабильны по сравнению с другими распространенными красителями, быстро разрушающимися под лучом ртутной лампы во флуоресцентном микроскопе [4]

Флуорофоры в медицине и биологии

Уникальные свойства КТ позволяют использовать их практически во всех системах мечения и визуализации биологических объектов (за исключением только флуоресцентных внутриклеточных меток, экспрессируемых генетически — широко известных флуоресцентных белков).

Для визуализации биологических объектов или процессов КТ можно вводить в объект непосредственно или с «пришитыми» распознающими молекулами (обычно это антитела или олигонуклеотиды). Нанокристаллы проникают и распределяются по объекту в соответствии со своими свойствами. Например, нанокристаллы разных размеров по-разному проникают сквозь биологические мембраны, а поскольку размер определяет цвет флуоресценции, разные области объекта оказываются окрашенными также по-разному. Наличие распознающих молекул на поверхности нанокристаллов позволяет реализовать адресное связывание: нужный объект (например, опухолевый) окрашивается заданным цветом.

Материалы для лазеров.

Возможность варьирования длины волны люминесценции принципиальное преимущество для создания новых лазерных сред. В существующих лазерах длина волны люминесценции является фундаментальной характеристикой среды и возможности ее варьирования ограничены (лазеры с перестраиваемой длиной волны используют свойства резонаторов и более сложные эффекты). Другое преимущество квантовых точек – высокая фото стойкость по сравнению с органическими красителями. Квантовые точки демонстрируют поведение неорганических систем. Возможность создания лазерных сред на основе квантовых точек CdSe была продемонстрирована научной группой под руководством Виктора Климова в Лос-Аламоской национальной лаборатории, США. В дальнейшем показана возможность вынужденного излучения для квантовых точек на основе других полупроводниковых материалов, например PbSe. Основной трудностью является малое время жизни возбужденного состояния в квантовых точках и побочный процесс Оже-рекомбинации, что требует высокой интенсивности накачки. На настоящий момент наблюдался как процесс вынужденной генерации, так и создан прототип тонкопленочного лазера при использовании подложки с дифракционной решеткой.

Оже-рекомбинация — механизм рекомбинации в полупроводниках, при котором лишняя энергия передаётся другому электронному возбуждению.

При рекомбинации электрона проводимости и дырки, электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону. При этом он теряет энергию, которая приблизительно равняется ширине запрещённой зоны. Эта энергия должна передаться какой-нибудь другой частице или квазичастице: фотону, фонону или другому электрону. Последний из перечисленных процессов называется оже-рекомбинацией по аналогии с эффектом Оже. Электрон, который получает выделенную энергию, переходит на высоковозбуждённый уровень в зоне проводимости. Это высоковозбужденное состояние потом термализуется, постепенно отдавая энергию колебаниям кристаллической решётки.

Оже-рекомбинация существенна при высокой плотности носителей заряда в полупроводнике, поскольку требует столкновения трёх квазичастиц. Одновременная высокая концентрация электронов проводимости и дырок возможна при интенсивном возбуждении полупроводника светом.

Квантовые точки имеют большой потенциал практического применения. В первую очередь это связано с возможностью контролировать варьировать эффективную ширину запрошенной зоны при изменении размера. При этом будут изменяться оптические свойства системы: длина волны люминесценции, область поглощения. Другой практически важной особенностью квантовых точек является способность существовать в виде золей (растворов). Это позволяет легко получать покрытия из пленок квантовых точек дешевыми методами, например spin-coating, или наносить квантовые точки с помощью струйной печати на любые поверхности. Все эти технологии позволяют избежать при создании устройств на основе квантовых точек дорогих вакуумных технологий, традиционных для микроэлектронной техники.

Также за счет растворных технологий возможно вводить квантовые точки в подходящие матрицы и создавать композитные материалы. Аналогом может являться ситуация с органическими люминесцентными материалами, которые используются для создания светоизлучающих устройств, что привело к буму в технологии светодиодов и возникновению так называемых OLED.

Литература

Квантовая точка [Электронный Ресурс].-Режим Доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Квантовая_точка

Флуоресценция [Электронный Ресурс].-Режим Доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Флуоресценция

Квантовые точки и зачем их ставят [Электронный Ресурс].-Режим Доступа: https://habr.com/ru/post/316810/

Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии [Электронный Ресурс].-Режим Доступа: https://biomolecula.ru/articles/kvantovye-tochki-nanorazmernye-sensory-dlia-meditsiny-i-biologii

Применения Коллоидных квантовых точек [Электронный Ресурс].-Режим Доступа: https://helpiks.org/6-27016.html

Код для цитирования: Скопировать