En kvantpunkt är ett fragment av en ledare eller halvledare (till exempel InGaAs , CdSe , CdS eller GaInP/ InP ), vars laddningsbärare ( elektroner eller hål ) är begränsade i rymden i alla tre dimensionerna. Storleken på en kvantprick måste vara så liten att kvanteffekterna är betydande [1] . Detta uppnås om elektronens kinetiska energi är märkbart större än alla andra energiskalor: i första hand högre än temperatur , uttryckt i energienheter.
Energispektrumet för en kvantpunkt är diskret, det beror på dimensionerna på kvantpunkten och den potentiella energiprofilen för laddningsbäraren i den. Uppskattade avstånd mellan intilliggande stationära energinivåer är av storleksordningen (där ħ är den reducerade Planck-konstanten , d är den karakteristiska storleken på en punkt, m är den effektiva massan av en elektron i en punkt). Som ett resultat upptar de elektroniska och optiska egenskaperna hos kvantprickar en mellanposition mellan en bulkhalvledare och en diskret molekyl [1] .
Enkelt uttryckt är en kvantpunkt en halvledare vars elektriska egenskaper beror på dess storlek och form. Ju mindre kristallen är, desto större är avståndet mellan energinivåerna. Till exempel, när en elektron rör sig till en lägre energinivå sänds en foton ut ; eftersom vi kan styra storleken på kvantpunkten kan vi ändra energin hos den emitterade fotonen, vilket betyder att vi kan ändra färgen på ljuset som emitteras av kvantpunkten. Den största fördelen med en kvantprick är möjligheten till högprecisionskontroll över dess storlek, och därmed över dess konduktivitet [2] , vilket gör att du kan skapa fluoroforer av olika färger från samma material med samma teknik.
Kvantprickar av olika storlekar kan sättas ihop till flerskiktiga nanofilmer med gradient.
Energispektrumet för en kvantpunkt bestäms av den potentiella energiprofilen för en partikel i den och kan hittas genom att lösa den tredimensionella stationära Schrödinger-ekvationen .
Till exempel, om i området , , och utanför detta område, då
,där , , är naturliga tal , liknande energinivåerna i en kvantbrunn med oändliga väggar .
Om i ett sfäriskt område och utanför det (detta är en av de adekvata approximationerna för verkliga punkter), då [3]
,där är ett icke-negativt heltal och är den -: e roten av Bessel-funktionen av ett halvheltalsindex ; för kommer att vara , och för andra finns tabeller med nollor [4] .
Slutligen, om (en tredimensionell kvantharmonisk oscillator , som också är en bra approximation för reella punkter; = const), då [5]
.Kvantprickar erhölls först 1981 av Alexei Ekimov [6] [K 1] och sedan, 1983, av Louis Bruce i kolloidala lösningar [8] [9] . Teorin om kvantprickar introducerades först av Alexander Efros 1982 [10] . A. I. Ekimov, A. L. Efros och L. Bruce tilldelades R. V. Wood Prize (2006) för upptäckten av kvantprickar [11] . Termen "quantum dot" myntades av Mark Reed .[12] . De första kvantprickarna var CuCl- mikrokristaller odlade i glas [6] [K 1] . 1993 kom en metod för syntes av kvantprickar från kadmiumselenid i form av kolloidala nanokristaller, där varje kvantprick är ett isolerat objekt [13] . Fluorescenskvantutbytet för sådana prickar var endast 10% [14] . Dess betydande ökning uppnåddes genom bildandet av ett skal runt kärnan.
I juni 2013 publicerades en artikel i Physical Review Letters med resultaten av en upptäckt som gjorts av forskare från Indian Institute of Science i Bangalore . Enligt honom lyser kvantprickar skapade på basis av en legering av zink, kadmium och svavel dopad med mangan , inte bara i orange, som tidigare trott, utan lyser i intervallet från mörkgrönt till rött. Den praktiska betydelsen av upptäckten är att kvantprickar gjorda av legeringar dopade med mangan är starkare, effektivare och säkrare.
De mest studerade är kvantprickar baserade på kadmiumselenid . Men med tillkomsten av lagstiftning som begränsar användningen av material baserade på tungmetaller [15] började teknologier utvecklas mot produktion av kvantprickar som inte innehåller kadmium.
Det finns två typer av kvantprickar (enligt skapelsemetoden):
De flesta egenskaperna hos QDs, inklusive strålningens färg, beror på storleken, formen och materialen som de är gjorda av.
En kvantpunkt kan vara en halvledarkristall , i vilken kvantstorlekseffekter realiseras på grund av en ganska liten storlek. En elektron i en sådan mikrokristall känns som en elektron i en tredimensionell potentialbrunn , den har många stationära energinivåer med ett karakteristiskt avstånd mellan dem ; det exakta uttrycket för energinivåerna beror på punktens form. I likhet med övergången mellan energinivåerna för en atom, kan en foton sändas ut under övergången mellan energinivåerna för en kvantpunkt . Det är också möjligt att kasta en elektron till en hög energinivå, och ta emot strålning från övergången mellan lägre liggande nivåer ( luminescens ). Samtidigt är det, till skillnad från riktiga atomer, lätt att kontrollera övergångsfrekvenserna genom att ändra storleken på kristallen. Faktiskt fungerade observationen av luminescensen hos kadmiumselenidkristaller med en luminescensfrekvens bestämd av kristallens storlek som den första observationen av kvantprickar.
För närvarande ägnas många experiment åt kvantprickar som bildas i en tvådimensionell elektrongas . I en tvådimensionell elektrongas är rörelsen av elektroner vinkelrätt mot planet redan begränsad, och området på planet kan isoleras med hjälp av grindmetallelektroder ovanpå heterostrukturen. Kvantpunkter i en tvådimensionell elektrongas kan kopplas samman genom tunnelkontakter med andra delar av den tvådimensionella gasen och ledning genom kvantpunkten kan studeras. I ett sådant system observeras fenomenet Coulomb-blockad .
En quantum dot består av en kärna och ett skyddande skal av ett material med ett bredare bandgap . Det minskar defekter på ytan av kärnan, vilket leder till en ökning av fluorescenskvantutbytet med upp till 90 %, förhindrar nedbrytning av kvantpunkten och frigöring av giftiga kadmiumjoner. Kärnmaterialet kan vara CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg-legeringar; skal - ZnS, CdS, ZnSe. Kvantprickar för biomedicinsk forskning har ytterligare två lager: en stabilisator och ett lager av inerta molekyler ( peptider , lipider ) eller ett neutralt hydroxylskal. Stabilisatorn – ett kisel-, polymer- eller silikonskal – ger skydd för inre strukturer från aggressiva miljöpåverkan, bestämmer kvantprickarnas förmåga att spridas till lösningsmedel och möjligheten att ympa olika biologiskt aktiva molekyler på deras yta, vilket kommer att leverera kvantprickar till önskade vävnader och celler. Lipider används för att minska ospecifik bindning [17] .
Kvantprickar kan ha olika former och storlekar, men oftast är de sfärer med en diameter på 2–10 nm, och de består av 10 3–10 5 atomer [ 1] .
Kvantprickar är lovande material inom medicin, biologi, optik, optoelektronik , mikroelektronik, tryckning och energi.
Kolloidala kvantprickar är en bra ersättning för traditionella fosforer, både organiska och oorganiska. De överträffar dem i fotostabilitet, fluorescensljusstyrka och har också några unika egenskaper [18] . De optiska egenskaperna hos dessa nanokristaller används i de mest oväntade tillämpningar som kräver bekväm, avstämbar luminescens, såsom biologisk forskning. Till exempel tränger kvantprickar av olika storlekar in i olika delar av celler och färgar dem i olika färger [19] [20] .
Kvantprickar används alltmer som biomarkörer för avbildning inom medicin , till exempel för färgning av tumörer eller autoimmuna antikroppar, läkemedelsleverans till önskade vävnader (genom att fästa läkemedel till nanopartiklar kan man mer exakt rikta in dem på tumörer) [21] .
Fram till nyligen var den utbredda användningen av kvantprickar inom elektronik utesluten, men på senare år har ett antal företag lanserat produkter på marknaden med dessa nanopartiklar. Bland de annonserade produkterna finns både experimentella prover och massprodukter. Redan 2010 skapade LG Display den första prototypen av bildskärmar baserade på kvantprickar [22] . Under 2015 samarbetade TPV Technology med QD Vision för att utveckla och kommersialisera den första kvantprickbaserade konsumentmonitorn 276E6ADS [23] . För närvarande är quantum dot bakgrundsbelysta LCD-paneler ( QD-LED ) installerade i deras TV-apparater av Samsung , LG Electronics , Sony , TCL Corporation , Hisense . Det finns ett program för att skapa displayenheter, där själva kvantprickarna kommer att fungera som ljussändare [24] .
Möjliga tillämpningar av kvantpunkter: fälteffekttransistorer , fotoceller , lysdioder , laserdioder [1] . Nexxus Lighting släppte en LED-lampa 2009 med hjälp av kvantprickar [25] .
Baserat på QD kan beläggningar göras som förändrar emissionen av befintliga ljuskällor eller solljus, vilket kan appliceras till exempel inom jordbruket för att omvandla ultraviolett ljus till rött, vilket är användbart för växter.
Kvantprickar används också i hybridsolceller som ett material som omvandlar solenergi till elektrisk likström. Användningen av kvantprickar i flerskiktssolceller gör det möjligt att uppnå en effektivare absorption av solstrålning, eftersom de kan absorbera ljus i ett större område (inklusive infrarött och ultraviolett) än traditionella solceller [26] .
UbiQD, National Renewable Energy Laboratory, Los Alamos National Laboratory utvecklar en självlysande solkoncentrator (LSC) baserad på kvantprickar [27] [28] .
Kvantprickar kan inkluderas i bläcket för att skydda dokument och värdepapper från förfalskning [29] [30] .
Kvantprickar är en av de främsta kandidaterna för att representera qubits i kvantberäkningar .
Inom olje- och gasindustrin används kvantprickar i GeoSplits horisontella brunnsmarkeringsteknik [31] .
Det finns två huvudsakliga metoder för att skapa kvantprickar: epitaxi och kolloidal syntes .
Epitaxi är en metod för att odla kristaller på ytan av ett substrat:
Mestadels odlas föreningar från element III (Ga, Al, In) och V (As, P, Sb) i det periodiska systemet - A III B V. Halvledarlasrar och mikrovågstransistorer har skapats på basis av sådana QD:er.
Kolloidal syntes , där ämnen blandas i lösning. Med hjälp av kolloidal syntes är det möjligt att erhålla nanokristaller belagda med ett lager av adsorberade ytaktiva molekyler. Således är de lösliga i organiska lösningsmedel och, efter modifiering, även i polära lösningsmedel. Av särskilt intresse är fluorescerande kvantprickar erhållna genom kolloidal syntes, till exempel, kvantprickar baserade på kadmiumkalkogenider, beroende på deras storlek, fluorescerar i olika färger.
Quantum dots för skärmar är tillverkade av Nanosys. Hon presenterade sin QDEF-teknik (Quantum Dot Enhancement Film) på utställningen Society for Information Display (SID).) under 2011. De första licenstagarna av denna teknik var Samsung Electronics och 3M .
2004 grundades QD Vision Laboratory (USA, Lexington (Massachusetts) ) för att utveckla QLED- teknik . Från början var det meningen att man skulle tillverka direkta subpixlar av displaymatrisen från kvantpunkter, men tekniken visade sig vara komplex och kostsam, och företaget koncentrerade sig på att förbättra bakgrundsbelysningen på LCD-skärmar baserade på kvantpunkter [32] . Det var möjligt att introducera tekniken i produktionen av TV-apparater tack vare samarbetet med LG, Sony, TCL Group och Samsung, som köpte QD Vision 2016 [33] .
Nanoco har en egen teknologi för produktion av kadmiumfria kvantprickar, etablerad 2001 i Manchester . Företaget producerar CFQD ® -film för displayer och trädgårdsbelysning [34] . Dess fabrik ligger i Runcorn .
QD-material tillverkas av Dow Chemical . 2013 fick hon en licens från Nanoco att producera, marknadsföra och sälja sitt material. År 2015 hade Dow Chemical byggt en fabrik i Cheonan (Sydkorea) och lanserat produktionen av kadmiumfria kvantprickar [35] . Istället används indium . De första TV-apparaterna med denna teknik presenterades av Samsung och LG på CES 2015.
Merck Group utvecklar sin egen QD-teknologi[36] .
I Ryssland, 2011–2014, producerades kvantprickar under varumärket QDLight av mikroföretaget Scientific and Technological Testing Center Nanotech-Dubna som en del av ett gemensamt projekt med RUSNANO och Federal State Unitary Enterprise Research Institute of Applied Acoustics [37] [ 38] . 2017 likviderades det [39] .
Quantum dots för att skapa solceller produceras av Quantum Materials Corporation och dess dotterbolag Solterra Renewable Technologies med deras egen patenterade teknologi [26] och QD Solar.
![]() | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
|