XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Основная часть.

Рассмотрим квантовые точки и где они применяются. Что же такое квантовые точки?  

Квантовые точки (КТ) - это изолированные нанообъекты , свойства которых существенно отличаются от свойств материала такого же состава. Прошу отметить тот факт, что квантовые точки являются скорее материальной моделью, нежели реальными объектами. Связанно это с невозможностью формирования полностью обособленных структур - малые частицы всегда взаимодействуют с окружающей средой, находясь в твердой материи или, например, жидкой .

Исторически сложилось так, что с квантовыми точками общество познакомилось намного раньше, чем с любыми другими нанообъектами. В Средние века металлические наночастицы входили в состав красок, использующихся для окраски витражных стекол и т.д. Однако вряд ли средневековые мастера подозревали, что именно мельчайшие наночастицы металлов придают стеклам столь насыщенный и яркий оттенок.

Квантовой точкой (КТ) может считаться любой кусочек полупроводника, ограниченный по всем трем пространственным координатам, размеры которого достаточно маленькие для того, чтобы проявления квантовых эффектов были существенными.

В большинстве случаев главным фактором для создания квантовой точки является наличие трехмерной потенциальной ямы, в которой носители заряда оказываются заперты по всем трем пространственным координатам. Образование трехмерной потенциальной ямы можно рассмотреть на примере полупроводникового гетероперехода между GaAs и AlGaAs, изображенного на рис. 1.

Рис. 1. Формирование гетероперехода между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны(1)

Электроны валентной зоны из области GaAs не могут попасть в область AlGaAs благодаря наличию потенциальной ступеньки. Электроны GaAs могут свободно двигаться по всем направлениям кроме перехода в AlGaAs. Таким образом, можно считать, что электроны в зоне гетероперехода GaAs -AlGaAs образуют двумерный электронный газ.

Если мы добавим еще один гетеропереход с левой стороны, как показано на рис. 2, то получим квантовую яму, в которой движение электронов оказывается ограниченным по всем пространственным координатам. Поскольку движение электронов оказывается пространственно ограниченным, единственной степенью свободы для них остается подскок в зону проводимости с поглощением кванта энергии и возвращение обратно с излучением кванта. Таким образом мы получим квантовую точку.

Рис. 2. Формирование квантовой ямы между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны(1)

Как физический объект квантовые точки известны довольно давно, являясь одной из самых развиваемых сегодня форм гетероструктур. Особенностью квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов является то, что каждая точка— это изолированный имобильный объект, находящийся в растворителе. Такие нанокристаллы можно использовать для построения различных ассоциатов, гибридов, упорядоченных слоев и т.п., на их основе конструируют элементы электронных иоптоэлектронных устройств, пробники исенсоры для анализов вмикрообъемах вещества, различные флуоресцентные хемилюминесцентные и фотоэлектрохимические наноразмерные датчики.

Квантовые точки можно получать двумя методами:

1) С помощью коллоидного химического синтеза

2) С помощью эпитаксиальных технологий.

(Коллоидный хим. синтез - смешивание веществ в растворе)

(Эпитаксия - метод выращивания кристаллов на поверхностиподложки.)

Оба способа дают широкие возможности как в получении КТ на основе различных полупроводниковых материалов, так и КТ с различной геометрией.

Но где применяются квантовые точки?

Спектральное кодирование ( жидкие микрочипы).

Пик флуоресценции нанокристаллов узок и симметричен, что позволяет надежно выделять сигнал флуоресценции нанокристаллов разных цветов (в видимом диапазоне до 10 цветов). Полоса поглощения нанокристаллов широкая, то есть нанокристаллы всех цветов можно возбуждать единым источником света, высокая фотостабильность, делают квантовые точки идеальными флуорофорами для многоцветного спектрального кодирования объектов — подобно штрих-коду, но с использованием многоцветности и «невидимых» кодов, флуоресцирующих в инфракрасной области. Принцип спектрального кодирования с использованием жидких микрочипов иллюстрирует Рис. 3. Каждый элемент микрочипа содержит заданные количества КТ определенных цветов.

Рис. 3. Принцип спектрального кодирования(2)

Такие кодированные микроэлементы могут применяться для прямого мечения любых объектов (например, ценных бумаг). Будучи внедренными в полимерные матрицы, они чрезвычайно устойчивы и долговечны. 

Квантовые точки в медицине.

В медицине чаще всего используют коллоидные квантовые точки - нанокристаллы, полученные методом хим. высокотемпературного синтеза. Квантовые точки помогают найти опухоль или аутоиммунных антител у человека, помечая их. Так же, стоит отметить, что квантовые точки используются для доставки лекарств к нужным тканям (присоединяя лекарственные вещества к наночастицам, можно более точно нацеливать их на опухоли). На данный момент готовиться большой проект по созданию новых устройств, которые смогут определять целый ряд инфекций только по одной пробе воздуха. Что делают квантовые точки крайне перспективным проектом для медицины.

Рис. 4. Болезни, найденные с помощью квантовых точек.

Квантовые точки в электронике.(2)

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. В 2015 году TPV Technology разработала совместно с QD Vision и выпустила в продажу первый потребительский монитор 276E6ADS на базе квантовых точек. В настоящее время жк-панели с подсветкой на квантовых точках устанавливают в свои телевизоры многие компании, напирмер, Samsung, LG Electronics, Sony, TCL Corporation, Hisense. Существует программа создания устройств отображения, где сами квантовые точки будут выступать в роли светоизлучателей.

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

Так же 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.

Рис.5. Лазеры (3)

Заключение.

Квантовые точки - это относительно новый класс соединений , обладающий большим потенциалом для применения в разных видах диагностики опухолей , создания светодиодных ламп ,телевизоров и т.д.Квантовые точки обширно используются на благо общества. Данная тема быстро развивается и прогрессирует, упрощая жизнь каждого человека.

Литература

1) Методы получения и применения квантовых точек [Электронный реcурc]. – Режим доступа:https://kit-e.ru/elcomp/metody-polucheniya-i-primeneniya-kvantovyh-tochek/– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 23.12.20)

2) Квантовые точки - наноразмерные сенсоры для медицины и биологии [Электронный реcурc]. – Режим доступа:https://biomolecula.ru/articles/kvantovye-tochki-nanorazmernye-sensory-dlia-meditsiny-i-biologii– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 23.12.20)

3) Квантовая точка [Электронный реcурc]. – Режим доступа:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%B0– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 23.12.20)

Код для цитирования: Скопировать