Фотолюминесценция квантовых точек (КТ) представляет собой процесс поглощения фотонов и последующего излучения света в результате перехода электронов из возбужденного состояния в основное. Ключевым фактором, определяющим спектральные характеристики КТ, является квантование энергии, возникающее из-за ограничений движения носителей заряда в наномасштабе. Размер частицы напрямую влияет на ширину запрещенной зоны: уменьшение диаметра КТ приводит к увеличению энергии перехода и смещению эмиссионного спектра в сторону более коротких волн (синее смещение), тогда как увеличение размера вызывает красное смещение.
Поглощение и возбуждение электрона При облучении квантовой точки фотоном с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, электрон переводится из валентной зоны в зону проводимости, образуя экситон — связанную пару электрон–дырка. Энергетическое состояние экситона определяется квантовым размерным эффектом, что обуславливает узкие и симметричные спектры эмиссии.
Рекомбинация и излучение фотонов Рекомбинация электрон–дырка может происходить радиативно или нердиативно. Радиативная рекомбинация сопровождается излучением фотона с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны, тогда как нердиативные процессы приводят к потерям энергии через фононные взаимодействия.
Поверхностные состояния Поверхность КТ имеет решающее значение для квантовой эффективности фотолюминесценции. Несвязанные атомы и дефекты создают ловушки для носителей заряда, вызывая трепанционные состояния, в которых рекомбинация чаще нердиативная. Для стабилизации фотолюминесценции применяют покрытие КТ слоем полупроводника с большей шириной запрещенной зоны (core–shell структуры).
Эмиссия КТ характеризуется высокой степенью монохроматичности и узкой полосой спектра (полуширина ~20–40 нм), что делает их уникальными по сравнению с органическими флуорофорами. Цвет излучения определяется размером и составом ядра: CdSe, CdTe, InP и PbS демонстрируют различное смещение спектра при одинаковых размерах частиц. Температурная зависимость также важна: повышение температуры приводит к усилению фононного взаимодействия и снижению квантовой эффективности, сопровождающемуся красным смещением спектра.
Не только диаметр, но и форма КТ влияет на фотолюминесценцию. Сферические частицы демонстрируют изотропное излучение, тогда как наностержни или нанопластины показывают анизотропные свойства и поляризационную зависимость эмиссии. Широкое размерное распределение приводит к гомогенному расширению спектра, снижая яркость и точность цвета.
Флуоресцентный отклик КТ характеризуется временем жизни возбужденного состояния, обычно в диапазоне 10–50 нс для II–VI полупроводников. Время жизни зависит от размера, формы и материала оболочки. Явление «blinking» (мерцание) связано с временной активацией ловушечных состояний и может быть частично подавлено благодаря shell-структурам и химической модификации поверхности.
Квантовая эффективность фотолюминесценции (QY) — отношение числа излучённых фотонов к числу поглощённых. Для незащищенных CdSe КТ QY обычно составляет 10–30%, тогда как оптимизированные core–shell структуры достигают 70–90%. Высокая QY достигается путем:
КТ часто внедряют в полимеры, стекла или биологические среды. Фотолюминесценция зависит от:
Высокая интенсивность и настраиваемый спектр делают КТ идеальными для:
Фотолюминесценция квантовых точек сочетает фундаментальные квантовые эффекты с практическими возможностями управления световыми свойствами, что делает их ключевыми объектами современного нанохимического исследования.