Литератрный обзор

1.1. Понятие «квантовая точка»

Коллоидные квантовые точки– полупроводниковые нанокристаллы с размером в диапазоне 2-10 нанометров, состоящие из 10³ - 10⁵ атомов, созданные на основе неорганических полупроводниковых материалов, покрытые монослоем стабилизатора («шубой» из органических молекул, рис.1). Квантовые точки по своим размерам больше традиционных для химии молекулярных кластеров (~ 1 нм при содержании не больше 100 атомов). Коллоидные квантовые точки объединяют физические и химические свойства молекул с оптоэлектронными свойствами полупроводников [1].

(а) (б)

Рис.1.1 (а) Квантовая точка, покрытой “шубой” стабилизатора, (б) трансформация зонной структуры полупроводника при уменьшении размера.

Квантово-размерные эффекты играют ключевую роль в оптоэлектронных свойствах квантовых точек [2]. Энергетический спектр квантовой точки принципиально отличается от объемного полупроводника. Электрон в нанокристалле ведет себя как в трехмерной потенциальной “яме”. Имеется несколько стационарных уровней энергии для электрона и дырки с характерным расстоянием между ними , где d – размер нанокристалла (квантовой точки) (рис.1б). Таким образом, энергетический спектр квантовой точки зависит от ее размера. Аналогично переходу между уровнями энергии в атоме, при переходе носителей заряда между энергетическими уровнями в квантовой точке может излучаться или поглощаться фотон. Частотами переходов, т.е. длиной волны поглощения или люминесценции, легко управлять, меняя размеры квантовой точки (рис.2). Поэтому квантовые точки иногда называют «искусственными атомами». В терминах полупроводниковых материалов это можно назвать возможностью контроля эффективной ширины запрещенной зоны.

Есть еще одно принципиальное свойство, отличающее коллоидные квантовые точки от традиционных полупроводниковых материалов – возможность существования в виде растворов, или точнее в виде золей. Это свойство обеспечивает широту возможностей манипулирования такими объектами и делает их привлекательными для технологий.

Зависимость энергетического спектра от размера дает огромный потенциал для практического применения квантовых точек. Квантовые точки могут найти применения в оптоэлектрических системах, таких как светоизлучающие диоды и плоские светоизлучающие панели, лазеры, ячейки солнечных батарей и фотоэлектрических преобразователей, как биологические маркеры, т.е. везде, где требуются варьируемые, перестраиваемые по длине волны оптические свойства [1]. На рис. 2 изображен пример люминесценции образцов квантовых точек CdS:

Рис.1.2 Люминесценция образцов квантовых точек CdS с размером в диапазоне 2.0-5.5 нм, приготовленных в виде золей. Вверху – без подсветки, внизу – подсветка ультрафиолетовым излучением.