Квантовые точки

Квантовые точки представляют собой нанокристаллы полупроводниковых материалов, размеры которых находятся в пределах 1–10 нм. Главная особенность этих систем заключается в проявлении квантово-размерного эффекта: движение электронов и дырок в пределах такой частицы оказывается ограниченным во всех трёх измерениях. В результате энергетический спектр квантовой точки становится дискретным, подобно спектру атома, за что такие объекты часто называют «искусственными атомами».

Квантово-размерный эффект

Энергетическая структура вещества в массивных кристаллах определяется зонной теорией: электроны могут находиться в валентной и в зоне проводимости, а переходы между ними определяются шириной запрещённой зоны. Когда размеры частицы уменьшаются до масштаба сопоставимого с длиной волны де Бройля электрона (порядка нескольких нанометров), энергетические уровни начинают квантоваться.

При уменьшении размера квантовой точки:

• увеличивается ширина запрещённой зоны;
• сдвигается максимум фотолюминесценции в сторону более высоких энергий (коротких волн);
• оптические и электронные свойства становятся управляемыми через контроль размеров и формы частицы.

Таким образом, цвет свечения квантовых точек можно регулировать, изменяя их диаметр.

Состав и синтез

Наиболее распространённые материалы для получения квантовых точек:

• халькогениды кадмия (CdS, CdSe, CdTe);
• сульфиды и селениды цинка (ZnS, ZnSe);
• нанокристаллы на основе свинца (PbS, PbSe);
• перовскитные соединения;
• углеродные и графеновые квантовые точки.

Методы синтеза делятся на коллоидные (химическое осаждение из растворов с последующей стабилизацией) и физические (лазерное испарение, молекулярно-лучевая эпитаксия, ионное распыление). Важную роль играют стабилизаторы и поверхностные лиганды, предотвращающие агрегацию и позволяющие управлять химическими свойствами поверхности.

Электронные и оптические свойства

Энергетический спектр квантовых точек характеризуется дискретными уровнями, разделёнными энергетическими промежутками, зависящими от размеров. Это приводит к следующим эффектам:

• флуоресценция с узкой спектральной полосой (ширина линии значительно меньше, чем у красителей и люминофоров);
• широкая область возбуждения: одна и та же точка может быть возбуждена светом различной длины волны, но испускает при этом на фиксированной длине волны;
• высокая квантовая эффективность благодаря малым потерям энергии при релаксации;
• устойчивость к фотодеградации, что выгодно отличает их от органических красителей.

Строение поверхности и влияние дефектов

Поверхность квантовой точки содержит большое количество несвязанных атомов, что приводит к наличию поверхностных дефектных уровней. Эти уровни могут играть роль ловушек для носителей заряда, снижая эффективность свечения. Для подавления этого эффекта применяют оболочку («core–shell»-структуры), например, ядро CdSe с оболочкой из ZnS. Такая оболочка изолирует электронные состояния ядра от поверхностных дефектов и повышает яркость и стабильность излучения.

Применение

1. Оптоэлектроника

   • светоизлучающие диоды нового поколения (QD-LED), обладающие высокой яркостью и насыщенностью цветов;
   • солнечные элементы с повышенной эффективностью за счёт многократного возбуждения электронов одним фотоном (мультиэкситонное поколение).

2. Биомедицина

   • маркеры для флуоресцентной микроскопии и отслеживания биомолекул в клетках;
   • контрастные агенты для диагностики, устойчивые к фотоблеканию;
   • носители для целевой доставки лекарственных средств.

3. Дисплейные технологии

   • панели с квантовыми точками обеспечивают широкий цветовой охват и высокую энергоэффективность;
   • телевизоры и мониторы QLED демонстрируют значительно более насыщенные и стабильные цвета по сравнению с традиционными ЖК-дисплеями.

4. Фотокатализ и сенсоры

   • участие в реакциях разложения органических соединений и водного фотолиза;
   • создание сенсоров для определения ионов металлов и органических молекул благодаря изменению интенсивности флуоресценции при взаимодействии с целевыми веществами.

Перспективы исследования

Современные направления связаны с развитием экологически безопасных квантовых точек без содержания тяжёлых металлов, например, на основе меди, индия, углерода и перовскитов. Большое внимание уделяется контролю однородности размеров, стабильности в различных средах и интеграции квантовых точек в сложные нанокомпозитные материалы.