Квантовые точки (КТ) представляют собой нанокристаллы полупроводников с размерами в диапазоне 2–10 нм. На этих масштабах электроны и дырки испытывают квантовое ограничение, что приводит к дискретизации энергетических уровней. Главной особенностью КТ является сильная зависимость их оптических свойств от размера: при уменьшении диаметра наночастицы энергия запрещённой зоны увеличивается, что приводит к смещению флуоресценции в более коротковолновую область (синее смещение).
Типичная структура квантовой точки состоит из ядра полупроводника (например, CdSe, InP) и защитной оболочки из материала с более широкой запрещённой зоной (ZnS, CdS). Такая оболочка выполняет несколько функций:
Поверхность КТ часто модифицируется органическими лигандами или полимерными оболочками, что обеспечивает растворимость в различных растворителях и совместимость с биологическими системами.
Флуоресценция квантовых точек обусловлена возвратом электрона из возбужденного состояния в основное с испусканием фотона. При фотонном возбуждении происходит переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, образуется экситон — связанная электронно-дырочная пара. Энергия фотона, испускаемого при рекомбинации, определяется не только материалом ядра, но и размером КТ.
Ключевые особенности флуоресценции КТ:
Эти характеристики делают КТ идеальными для применения в оптической биомаркеровке, многоканальной флуоресцентной микроскопии и сенсорике.
Методы синтеза можно разделить на химические в растворе, газофазные и солидосостояние. Наиболее распространённым является коллоидный синтез в растворе при высоких температурах с использованием органических растворителей и стабилизаторов.
Процесс включает:
Контроль размера КТ достигается регулированием температуры, времени реакции и концентрации прекурсоров. Современные методы позволяют получать КТ с высокой моноразмерностью и квантовым выходом флуоресценции до 90 %.
Квантовые точки используются как флуоресцентные зонды и сенсоры:
Дополнительно квантовые точки интегрируются в оптоэлектронные устройства, такие как LED и солнечные элементы, благодаря их высокой фотостабильности и настраиваемой длине волны излучения.
Несмотря на уникальные свойства, КТ обладают рядом ограничений:
Перспективными направлениями являются создание биосовместимых и экологически безопасных КТ, интеграция с наноматериалами и полимерами для усиления сенсорных свойств, а также разработка многофункциональных наноконструктов для одновременного диагностирования и терапии (термофлуоресцентные наночастицы, фотодинамическая терапия).
Основные количественные параметры, определяющие флуоресцентные свойства КТ:
Контроль этих параметров достигается сочетанием синтеза ядра, толщины оболочки и модификации поверхности.
Квантовые точки представляют собой ключевой класс флуоресцентных наноматериалов, объединяющий настраиваемость спектра, высокую яркость и долговременную стабильность, что делает их незаменимыми в современных химических, биологических и нанотехнологических приложениях.