XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ВВЕДЕНИЕ

Квантовая точка — фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Это достигается, если кинетическая энергия электрона заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х годов Алексеем Екимовым в стеклянной матрице и Луи Е. Брусом в коллоидных растворах. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом.

Различают два типа квантовых точек (по способу создания):

эпитаксиальные квантовые точки;

коллоидные квантовые точки

Уникальные свойства квантовых точек

Как физический объект квантовые точки известны довольно давно, являясь одной из интенсивно развиваемых сегодня форм гетероструктур. 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»), положение которого регулируется выбором размера нанокристалла и его составом;

широкая полоса возбуждения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения. 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 , что позволяет использовать источники возбуждения высокой мощности.

Рис. 1. 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.

Флуоресце́нция, или флюоресценция — физический процесс, разновидность люминесценции. Флуоресценцией обычно называют излучательный переход возбуждённого состояния с самого нижнего синглетного колебательного уровня S₁ в основное состояние S₀

Рис. 2. Свойства квантовых точек из разных материалов. Сверху: Диапазоны флуоресценции нанокристаллов, изготовленных из разных материалов. Снизу: CdSe квантовые точки разных размеров покрывают весь видимый диапазон 460–660 нм. Снизу справа: Схема стабилизированной квантовой точки, где «ядро» покрыто оболочкой из полупроводника и защитным слоем полимера.

Лаборатория «Полупроводниковой оптоэлектроники»

Методом лазерной спектроскопии были выявлены физические основы нелинейно-оптических процессов, ответственных за явления самодифракции и самовоздействия в коллоидных растворах квантовых точек, являющиеся основой для создания динамических элементов современной оптоэлектроники. Также были разработаны методы теоретического описания особенностей оптического отклика ансамблей квантовых точек на внешнее воздействие со стороны лазерного излучения и особенностей динамики квантовых точек под действием сил, обусловленных взаимодействием квантовой точки с полем электромагнитной волны, что позволило выявить целый ряд новых эффектов и явлений, таких как: неконсервативная природа сил, действующих на резонансную квантовую точку, формирование потоков коллоидных квантовых точек и появление динамических фотонных кристаллов, обусловленных изменением концентрации коллоидных квантовых точек по пространству кюветы в следствии различного отклика точек разного размера на внешнее воздействие. Обнаруженные эффекты могут быть применены для получения полупроводниковых наноструктур с заданными оптическими и электронными свойствами и создания на их основе новых типов приборов нано- и оптоэлектроники: сверхбыстрых зарядовых переключателей, устройств динамической памяти, микросенсеров и излучателей, а также эффективных мембран и биомаркеров.Среди наиболее интересных результатов, полученных в лаборатории за последние годы, можно выделить следующие:

Экспериментально продемонстрирована возможность формирования динамических фотонных кристаллов различной размерности в коллоидном растворе квантовых точек.(рис.3)

Рис. 3

Исследованы оптические свойства нанокристаллов, легированных примесными атомами меди. Продемонстрировано насыщение поглощения основного экситонного перехода, наведенное поглощение вышележащего перехода. Кроме этого, установлена зависимость излучательных характеристик нанокристаллов от концентрации меди в них, с учетомзахвата дырок на акцепторные уровни.(рис. 4)

Рис. 4

Исследован нелинейно-оптический отклик коллоидных нанопластинок селенида кадмия в окрестности резонансов экситонных переходов, связанными с тяжелыми, легкими и спин-орбитально отщепленными дырочными подзонами. (рис. 5)

Рис. 5

Материалы для солнечных батарей

Создание солнечных батарей является одной из перспективных областей применения коллоидных квантовых точек. В 1992 г. M.Gratzel предложил подход к созданию солнечных батарей, основанный на использовании материалов с большой удельной поверхностью (например, нанокристаллического TiO₂).

Квантовые точки могут прекрасно выступать в роли фотосенсибилизатора, поскольку позволяют управлять положением полосы поглощения. Другими немаловажными достоинствами являются высокий коэффициент экстинкции (возможность поглощения значительной доли фотонов в тонком слое) и высокая фотостабильность, присущая неорганическому ядру. Поглощенный квантовой точкой фотон приводит к образованию фотовозбужденных электрона и дырки, которые могут переходить в электронно- и дырочно-транспортные слои. Подобные солнечные батареи имеют такое немаловажное достоинство, как возможность содания гибких элементов при нанесении слоев на полимерные подложки, а также относительную дешевизну и простоту изготовления. Одна из таких плодотворных идей связана с использованием коллоидных полупроводниковых квантовых точек (КТ) в органических и гибридных солнечных батареях. Интерес к КТ как активным компонентам солнечных батарей обусловлен рядом факторов, в том числе их высокой стабильностью, возможностью настройки ширины запрещенной зоны и положения уровней энергии КТ за счет изменения их размера, а также относительно простой технологией синтеза КТ с использованием коллоидных методов. Несмотря на то, что активные исследования в этой области начали проводиться относительно недавно, максимальная эффективность преобразования энергии солнечными батареями с КТ уже достигла 5.5%. В настоящее время рассматриваются следующие конструкции солнечных батарей с КТ: 1) фотоэлементы Шоттки; 2) объемный гетеропереход на основе КТ и сопряженных полимеров; 3) гетеропереход, сформированный КТ p-n типа; 4) ячейки Гретцеля, сенсибилизированные КТ.

Рис. 6

Рис. 7

Список литературы

1. Квантовые точки и зачем их ставят // URL: https://habr.com/ru/post/316810

2. Квантовая точка // wiki URL: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

3. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии // URL:https://biomolecula.ru/articles/kvantovye-tochki-nanorazmernye-sensory-dlia-meditsiny-i-biologii

4. Флуоресценция // wiki URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BB%D1%83%D0%BE%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%86%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F

5. Коллоидные квантовые точки — исследования и возможные применения // URL:https://phys.msu.ru/rus/about/sovphys/ISSUES-2020/04(145)-2020/28493/

6. Материалы для солнечных батарей // URL:https://helpiks.org/6-27017.html

Код для цитирования: Скопировать