Punct cuantic

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 20 septembrie 2021; verificările necesită 6 modificări .

Un punct cuantic  este un fragment dintr-un conductor sau semiconductor (de exemplu , InGaAs , CdSe , CdS sau GaInP/ InP ), ai cărui purtători de sarcină ( electroni sau găuri ) sunt limitați în spațiu în toate cele trei dimensiuni. Dimensiunea unui punct cuantic trebuie să fie atât de mică încât efectele cuantice să fie semnificative [1] . Acest lucru se realizează dacă energia cinetică a electronului este vizibil mai mare decât toate celelalte scale de energie: în primul rând mai mare decât temperatura , exprimată în unități de energie.

Spectrul de energie al unui punct cuantic este discret; depinde de dimensiunile punctului cuantic și de profilul de energie potențială al purtătorului de sarcină din acesta. Distanțele estimate dintre nivelurile de energie staționară adiacente sunt de ordinul lui (unde ħ este constanta Planck redusă , d este dimensiunea caracteristică a unui punct, m este masa efectivă a unui electron într-un punct). Drept urmare, proprietățile electronice și optice ale punctelor cuantice ocupă o poziție intermediară între un semiconductor în vrac și o moleculă discretă [1] .

Mai simplu spus, un punct cuantic este un semiconductor ale cărui caracteristici electrice depind de dimensiunea și forma sa. Cu cât este mai mic cristalul, cu atât distanța dintre nivelurile de energie este mai mare. De exemplu, atunci când un electron se deplasează la un nivel de energie mai mic , este emis un foton ; întrucât putem controla dimensiunea punctului cuantic, putem schimba energia fotonului emis, ceea ce înseamnă că putem schimba culoarea luminii emise de punctul cuantic. Principalul avantaj al unui punct cuantic este posibilitatea controlului de înaltă precizie asupra dimensiunii sale și, prin urmare, asupra conductivității sale [2] , ceea ce vă permite să creați fluorofori de culori diferite din același material folosind aceeași tehnică.

Punctele cuantice de diferite dimensiuni pot fi asamblate în nanofilme cu gradient multistrat.

Niveluri de energie într-un punct cuantic

Spectrul de energie al unui punct cuantic este determinat de profilul de energie potențială al unei particule din acesta și poate fi găsit prin rezolvarea ecuației staționare tridimensionale Schrödinger .

De exemplu, dacă în zona , , și în afara acestei zone, atunci

,

unde , , sunt numere naturale , similare cu nivelurile de energie dintr - un puț cuantic cu pereți infiniti .

Dacă într-o regiune sferică și în afara ei (aceasta este una dintre aproximările adecvate pentru punctele reale), atunci [3]

,

unde este un întreg nenegativ și este -a rădăcină a funcției Bessel a unui indice semiîntreg ; pentru will be , iar pentru altele există tabele cu zerouri [4] .

În cele din urmă, dacă (un oscilator armonic cuantic tridimensional , care este și o bună aproximare pentru puncte reale; = const), atunci [5]

.

Istoria cercetării

Punctele cuantice au fost obținute pentru prima dată în 1981 de Alexei Ekimov [6] [K 1] și apoi, în 1983, de Louis Bruce în soluții coloidale [8] [9] . Teoria punctelor cuantice a fost introdusă pentru prima dată de Alexander Efros în 1982 [10] . A. I. Ekimov, A. L. Efros și L. Bruce au primit premiul R. V. Wood (2006) pentru descoperirea punctelor cuantice [11] . Termenul „punct cuantic” a fost inventat de Mark Reed .[12] . Primele puncte cuantice au fost microcristale de CuCl crescute în pahare [6] [K 1] . În 1993 a apărut o metodă de sinteza a punctelor cuantice din seleniura de cadmiu sub formă de nanocristale coloidale, unde fiecare punct cuantic este un obiect izolat [13] . Randamentul cuantic de fluorescență al unor astfel de puncte a fost de numai 10% [14] . Creșterea sa semnificativă a fost obținută prin formarea unei învelișuri în jurul nucleului.

În iunie 2013, în Physical Review Letters a fost publicat un articol cu ​​rezultatele unei descoperiri făcute de oamenii de știință de la Institutul Indian de Știință din Bangalore . Potrivit lui, punctele cuantice create pe baza unui aliaj de zinc, cadmiu și sulf dopat cu mangan , strălucesc nu numai în portocaliu, așa cum se credea anterior, dar luminesc în intervalul de la verde închis la roșu. Semnificația practică a descoperirii este că punctele cuantice din aliaje dopate cu mangan sunt mai puternice, mai eficiente și mai sigure.

Cele mai studiate sunt punctele cuantice bazate pe seleniura de cadmiu . Dar odată cu apariția legislației care restricționează utilizarea materialelor pe bază de metale grele [15] , tehnologiile au început să se dezvolte spre producerea de puncte cuantice care nu conțin cadmiu.

Tipuri de puncte cuantice

Există două tipuri de puncte cuantice (în funcție de metoda de creație):

Proprietăți fizice și chimice

Majoritatea proprietăților QD-urilor, inclusiv culoarea radiațiilor, depind de dimensiunea, forma și materialele din care sunt fabricate.

Un punct cuantic poate fi un cristal semiconductor , în care efectele de dimensiune cuantică sunt realizate datorită unei dimensiuni destul de mici. Un electron dintr-un astfel de microcristal se simte ca un electron într-un puț de potențial tridimensional , are multe niveluri de energie staționară cu o distanță caracteristică între ele ; expresia exactă a nivelurilor de energie depinde de forma punctului. Similar cu tranziția între nivelurile de energie ale unui atom, un foton poate fi emis în timpul tranziției între nivelurile de energie ale unui punct cuantic . De asemenea, este posibil să aruncați un electron la un nivel ridicat de energie și să primiți radiații de la tranziția între nivelurile inferioare ( luminiscență ). În același timp, spre deosebire de atomii reali, este ușor să controlezi frecvențele de tranziție prin modificarea mărimii cristalului. De fapt, observarea luminiscenței cristalelor de seleniră de cadmiu cu o frecvență de luminiscență determinată de mărimea cristalului a servit drept prima observație a punctelor cuantice.

În prezent, multe experimente sunt dedicate punctelor cuantice formate într-un gaz electronic bidimensional . Într-un gaz electronic bidimensional, mișcarea electronilor perpendiculară pe plan este deja limitată, iar regiunea din plan poate fi izolată folosind electrozi metalici de poartă suprapusi heterostructurii de sus. Punctele cuantice dintr-un gaz electronic bidimensional pot fi conectate prin contacte de tunel cu alte regiuni ale gazului bidimensional și poate fi studiată conducerea prin punctul cuantic. Într-un astfel de sistem, se observă fenomenul de blocare Coulomb .

Modele cu puncte cuantice

Un punct cuantic constă dintr-un miez și o carcasă de protecție realizată dintr-un material cu o bandă mai largă . Reduce defectele de la suprafața nucleului, ceea ce duce la o creștere a randamentului cuantic al fluorescenței cu până la 90%, previne degradarea punctului cuantic și eliberarea ionilor toxici de cadmiu. Materialul miezului poate fi aliaje CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg; scoici - ZnS, CdS, ZnSe. Punctele cuantice pentru cercetarea biomedicală au încă două straturi: un stabilizator și un strat de molecule inerte ( peptide , lipide ) sau o înveliș hidroxil neutru. Stabilizatorul - o carcasă de siliciu, polimer sau silicon - oferă protecție structurilor interne împotriva influențelor agresive ale mediului, determină capacitatea punctelor cuantice de a se dispersa în solvenți și posibilitatea de a grefa pe suprafața lor diferite molecule active biologic, care vor furniza puncte cuantice pentru țesuturile și celulele dorite. Lipidele sunt folosite pentru a reduce legarea nespecifică [17] .

Punctele cuantice pot fi de diferite forme și dimensiuni, dar cel mai adesea sunt sfere cu un diametru de 2–10 nm și sunt formate din 10 3–10 5 atomi [ 1] .

Aplicații ale punctelor cuantice

Punctele cuantice sunt materiale promițătoare în medicină, biologie, optică, optoelectronică , microelectronică, imprimare și energie.

Punctele cuantice coloidale sunt un bun înlocuitor pentru fosforii tradiționali, atât organici, cât și anorganici. Le depășesc în fotostabilitate, luminozitate fluorescentă și au, de asemenea, unele proprietăți unice [18] . Proprietățile optice ale acestor nanocristale sunt utilizate în cele mai neașteptate aplicații care necesită luminiscență convenabilă și reglabilă, cum ar fi cercetarea biologică. De exemplu, punctele cuantice de diferite dimensiuni pătrund în diferite părți ale celulelor și le colorează în culori diferite [19] [20] .

Punctele cuantice sunt din ce în ce mai folosite ca biomarkeri pentru imagistica în medicină , de exemplu, pentru colorarea tumorilor sau a anticorpilor autoimuni, livrarea medicamentelor către țesuturile dorite (prin atașarea medicamentelor la nanoparticule, se pot ținti mai precis asupra tumorilor) [21] .

Până nu demult, utilizarea pe scară largă a punctelor cuantice în electronică era exclusă, dar în ultimii ani o serie de companii au lansat pe piață produse folosind aceste nanoparticule. Printre produsele anunțate se numără atât mostre experimentale, cât și produse de masă. În 2010, LG Display a creat primele afișaje prototip bazate pe puncte cuantice [22] . În 2015, TPV Technology a colaborat cu QD Vision pentru a dezvolta și comercializa primul monitor de consum bazat pe puncte cuantice 276E6ADS [23] . În prezent, panourile LCD cu iluminare din spate cu puncte ( QD-LED ) sunt instalate în televizoarele lor de către Samsung , LG Electronics , Sony , TCL Corporation , Hisense . Există un program pentru crearea dispozitivelor de afișare, în care punctele cuantice în sine vor acționa ca emițători de lumină [24] .

Aplicații posibile ale punctelor cuantice: tranzistoare cu efect de câmp , fotocelule , LED-uri , diode laser [1] . Nexxus Lighting a lansat o lampă LED în 2009 folosind puncte cuantice [25] .

Pe baza QD, pot fi realizate acoperiri care modifică emisia surselor de lumină existente sau a luminii solare, care pot fi aplicate, de exemplu, în agricultură pentru a transforma lumina ultravioletă în roșu, ceea ce este util plantelor.

Punctele cuantice sunt, de asemenea, folosite în celulele solare hibride ca material care transformă energia solară în curent electric direct. Utilizarea punctelor cuantice în celulele solare multistrat face posibilă obținerea unei absorbții mai eficiente a radiației solare, deoarece acestea pot absorbi lumina într-o gamă mai largă (inclusiv infraroșu și ultraviolete) decât celulele solare tradiționale [26] .

UbiQD, Laboratorul Național de Energie Regenerabilă, Laboratorul Național Los Alamos dezvoltă un concentrator solar luminescent (LSC) bazat pe puncte cuantice [27] [28] .

Punctele cuantice pot fi incluse în cerneală pentru a proteja documentele și titlurile de valoare de falsificare [29] [30] .

Punctele cuantice sunt unul dintre candidații principali pentru reprezentarea qubiților în calculul cuantic .

În industria petrolului și gazelor, punctele cuantice sunt utilizate în tehnologia de marcare a puțurilor orizontale a GeoSplit [31] .

Metode de obținere a punctelor cuantice

Există două metode principale de creare a punctelor cuantice: epitaxia și sinteza coloidală .

Epitaxia  este o metodă de creștere a cristalelor pe suprafața unui substrat:

În cea mai mare parte, compușii sunt cultivați din elementele III (Ga, Al, In) și V (As, P, Sb) din grupul tabelului periodic - A III B V. Laserele semiconductoare și tranzistoarele cu microunde au fost create pe baza unor astfel de QD-uri.

Sinteză coloidală , în care substanțele sunt amestecate în soluție. Folosind sinteza coloidală, este posibil să se obțină nanocristale acoperite cu un strat de molecule active de suprafață adsorbite. Astfel, sunt solubili în solvenți organici și, după modificare, și în solvenți polari. De interes deosebit sunt punctele cuantice fluorescente obținute prin sinteza coloidală, de exemplu, punctele cuantice pe bază de calcogenuri de cadmiu, în funcție de dimensiunea lor, fluoresc în diferite culori.

Producție

Punctele cuantice pentru afișaje sunt fabricate de Nanosys. Ea și-a prezentat tehnologia QDEF (Quantum Dot Enhancement Film) la expoziția Society for Information Display (SID).) în 2011. Primii licențiați ai acestei tehnologii au fost Samsung Electronics și 3M .

În 2004, QD Vision Laboratory (SUA, Lexington (Massachusetts) ) a fost fondat pentru a dezvolta tehnologia QLED . Inițial, trebuia să producă direct subpixeli ai matricei de afișare din puncte cuantice, dar tehnologia s-a dovedit a fi complexă și costisitoare, iar compania s-a concentrat pe îmbunătățirea luminii de fundal pe afișajele LCD bazate pe puncte cuantice [32] . A fost posibilă introducerea tehnologiei în producția de televizoare datorită cooperării cu LG, Sony, TCL Group și Samsung, care au cumpărat QD Vision în 2016 [33] .

Nanoco are propria tehnologie pentru producerea de puncte cuantice fără cadmiu, înfiinţată în 2001 la Manchester . Compania produce film CFQD ® pentru vitrine și iluminat horticol [34] . Fabrica sa este situată în Runcorn .

Materialele QD sunt fabricate de Dow Chemical . În 2013, a primit o licență de la Nanoco pentru a produce, comercializa și vinde materialele sale. Până în 2015, Dow Chemical a construit o fabrică în Cheonan (Coreea de Sud) și a lansat producția de puncte cuantice fără cadmiu [35] . În schimb, se folosește indiul . Primele televizoare cu această tehnologie au fost prezentate de Samsung și LG la CES 2015.

Merck Group își dezvoltă propria tehnologie QD[36] .

În Rusia, în 2011–2014, punctele cuantice sub marca QDLight au fost produse de Centrul de testare științifică și tehnologică de microîntreprinderi Nanotech-Dubna, ca parte a unui proiect comun cu RUSNANO și Institutul de Cercetare a Întreprinderilor Unitare de Stat Federal de Acustica Aplicată [37] [37] [37] [ 37]. 38] . În 2017 a fost lichidată [39] .

Punctele cuantice pentru crearea celulelor solare sunt produse de Quantum Materials Corporation și filiala sa Solterra Renewable Technologies folosind propria tehnologie brevetată [26] și QD Solar.

Vezi și

Comentarii

  1. 1 2 Academicianul Zh. I. Alferov a scris despre aceasta: „Primele puncte semiconductoare - microcristale ale compușilor A II B VI , formate într-o matrice de sticlă, au fost propuse și implementate de A. I. Ekimov și A. A. Onushchenko ” [7] .

Surse

  1. 1 2 3 4 Vasiliev R. B., Dirin D. N. Puncte cuantice: sinteza, proprietăți, aplicații . — Materiale metodice. - Moscova: FNM MGU, 2007. - 34 p.
  2. www.evidenttech.com: Cum funcționează punctele cuantice. . Arhivat din original la 1 februarie 2010. Preluat la 15 octombrie 2009.
  3. L. A. Bugaev, A. S. Kasprzhitsky, Ya. V. Latokha. Ghid pentru rezolvarea problemelor din teoria cuantică . Editura Universității de Stat Rostov (2006). - vezi exemplul 3.5, inclusiv la p. 33. Preluat la 16 august 2021. Arhivat din original la 16 august 2021.
  4. S. D. Algazin. Despre tabelarea cu mare precizie a zerourilor funcțiilor Bessel . Izv. Universitatea de Stat Tula, Științe ale Naturii, voi. 1, p. 132-141 (2013). - vezi sec. 4: Zerourile funcțiilor Bessel ale indicelui semiîntreg. Preluat la 16 august 2021. Arhivat din original la 16 august 2021.
  5. D. Bohm. Teoria cuantică . Moscova: Știință (1965). - vezi p. 409-411. Preluat la 16 august 2021. Arhivat din original la 16 august 2021.
  6. 1 2 Ekimov A. I., Onushchenko A. A. Efect de dimensiune cuantică în microcristale tridimensionale ale semiconductorilor Copie de arhivă din 16 decembrie 2014 la Wayback Machine // JETP Letters . - 1981. - T. 34. - S. 363-366.
  7. Alferov Zh. I. Istoria și viitorul heterostructurilor semiconductoare  // Physics and Technology of Semiconductors. - 1998. - T. 32 , nr 1 . - S. 12 .
  8. Cronologia  nanotehnologiei . Inițiativa Națională de Nanotehnologie (26 noiembrie 2015). Data accesului: 14 decembrie 2016. Arhivat din original pe 12 decembrie 2016.
  9. Discovery of Quantum Dots (1981  ) . Jeremy Norman & Co., Inc. (2004-2016). Data accesului: 14 decembrie 2016. Arhivat din original pe 20 decembrie 2016.
  10. Descoperirea punctelor cuantice . Preluat la 15 august 2021. Arhivat din original la 11 aprilie 2021.
  11. „ Pentru descoperirea punctelor cuantice nanocristale și studii de pionierat ale proprietăților lor electronice și optice ”.
  12. Reed MA, Randall JN, Aggarwal RJ, Matyi RJ, Moore TM, Wetsel AE Observarea stărilor electronice discrete într-o nanostructură semiconductoare zero-dimensională  //  Phys Rev Lett  : jurnal. - 1988. - Vol. 60 , nr. 6 . - P. 535-537 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.60.535 . - Cod . — PMID 10038575 . (1988). [1] Arhivat pe 21 mai 2013 la Wayback Machine
  13. Murray CB, Norris DJ, Bawendi MG Sinteza și caracterizarea nanocristalitelor semiconductoare CdE aproape monodisperse (E = sulf, seleniu, teluriu)  //  J. Am. Chim. soc. : revista. - 1993. - Nr. 115 (19) . - S. 8706-8715 .
  14. Oleinikov V. A., Sukhanova A. V., Nabiev I. R. Fluorescent semiconductor nanocrystals in biology and medicine  (neopr.) . — nanotehnologii rusești. - 2007. - T. 2. - S. 160-173.
  15. TR EAEU 037/2016 . Hotărârea Consiliului Comisiei Economice Eurasiatice din 18 octombrie 2016 N 113. Data accesării: 19 aprilie 2019. Arhivat la 28 martie 2020. ; Directiva 2011/65/UE din 8 iunie 2011 . Parlamentul European și Consiliul UE. Preluat la 16 mai 2019. Arhivat din original la 25 ianuarie 2021.
  16. QLED și diferențele sale față de OLED și LED . ULTRA HD (6 mai 2017). Consultat la 17 aprilie 2019. Arhivat din original la 17 aprilie 2019.
  17. Zdobnova T. A., Lebedenko E. N., Deev S. M. Quantum dots for molecular diagnostics of tumors  (rusă)  // Asta Naturae: journal. - 2011. - V. 3 , Nr. 1 (8) . - S. 32-52 .
  18. Proprietățile punctelor cuantice
  19. Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher, et. al. Nanocristalele nefuncționalizate pot exploata mașinile de transport activ ale unei celule, livrându-le către compartimente nucleare și citoplasmatice specifice  //  Nano Lett : Journal. - 2007. - Nr. 7 (11) . - S. 3452-3461 .
  20. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, Małgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell, et. al. Sondarea barierelor intracelulare la scară nanometrică specifice tipului de celule utilizând puncte cuantice reglate în funcție de dimensiune  //  Small: Journal. - 2009. - Nr 5 . - S. 2581-2588 .
  21. Oleinikov V. A. Quantum dots - nanoscale sensors for medicine and biology  (engleză)  // Nature  : journal. - Stiinta , 2010. - Nr. 3 . - S. 22-28 .
  22. A început producția de afișare cu puncte cuantice . MEMBRANA (4 iunie 2010). Consultat la 15 aprilie 2019. Arhivat din original la 10 iulie 2010.
  23. MMD, QD Vision prezintă primul monitor Quantum Dot din lume . businesswire. Consultat la 17 aprilie 2019. Arhivat din original la 10 aprilie 2019.
  24. În 2018, televizoarele LCD cu puncte cuantice au depășit OLED-urile la vânzări, dar au pierdut din venituri . STEREO & VIDEO (12 martie 2019). Preluat la 15 aprilie 2019. Arhivat din original la 8 martie 2022.
  25. Primele lămpi comerciale cu puncte cuantice . NANO NEWS NET (7 mai 2009). Preluat la 24 aprilie 2019. Arhivat din original la 24 aprilie 2019.
  26. 1 2 „Punctele minuscule” ale acestei companii promit să răstoarne întreaga industrie a energiei regenerabile . StockGumshoe (15 februarie 2017). Preluat la 24 aprilie 2019. Arhivat din original la 24 aprilie 2019.
  27. Eficiența celulelor solare cu punct cuantic continuă să crească . NANO NEWS NET (1 noiembrie 2017). Preluat la 24 aprilie 2019. Arhivat din original la 24 aprilie 2019.
  28. Ferestrele cu panouri solare, posibile prin descoperirea Quantum Dot . International Business Times (17 aprilie 2014). Preluat la 24 aprilie 2019. Arhivat din original la 24 aprilie 2019.
  29. Harvest of IQDEMY Solutions. Punctele cuantice și polimerul . IQDEMY (20 septembrie 2018). Preluat la 25 aprilie 2019. Arhivat din original la 25 aprilie 2019.
  30. Puncte cuantice. Material unic pentru sistemele de criptoprotecție . SRL „NTIC „Nanotech-Dubna” (2011). Consultat la 25 aprilie 2019. Arhivat din original la 22 decembrie 2018.
  31. GeoSplit LLC . geosplit.ru. Preluat la 23 martie 2020. Arhivat din original la 4 februarie 2020.
  32. Vasilkov A. De ce televizoarele au nevoie de puncte cuantice sau nanotehnologii în viața de zi cu zi . COMPUTERRA (17 ianuarie 2013). Consultat la 18 aprilie 2019. Arhivat din original pe 17 aprilie 2019.
  33. Ambițiile cuantice ale Samsung . AbbGroup 24 noiembrie 2016. Consultat la 18 aprilie 2019. Arhivat din original pe 17 aprilie 2019.
  34. Puncte cuantice fără cadmiu . Grupul Nanoco. Preluat la 16 mai 2019. Arhivat din original la 18 mai 2019.
  35. Samsung poate introduce televizoare LCD cu puncte cuantice fără cadmiu în 2015 . Oled-info (22 octombrie 2014). Preluat la 18 aprilie 2019. Arhivat din original la 16 ianuarie 2021.
  36. Detinich G. Merck Coreea a prezentat materiale pentru afișaje „futuriste” . 3Dnews (21 octombrie 2017). Preluat la 18 aprilie 2019. Arhivat din original la 18 aprilie 2019.  - cel mai mare producător mondial de cristale lichide
  37. Producerea punctelor cuantice prin sinteză coloidală . RUSNANO. Preluat la 23 aprilie 2019. Arhivat din original la 23 aprilie 2019.
  38. A fost lansată prima etapă de producere a punctelor cuantice coloidale . E timpul pentru inovație. Preluat la 23 aprilie 2019. Arhivat din original la 23 aprilie 2019.
  39. LLC „NTIC Nanotech-Dubna” . Nalog.io (23 aprilie 2019). Arhivat din original pe 23 aprilie 2019.

Link -uri