Language
Country/Area
No result found
Удивительное путешествие квантовых точек: почему их называют «искусственными атомами»
В области нанотехнологий и материаловедения квантовые точки (сокращенно КТ) в последнее время стали горячей темой. Эти полупроводниковые нанокристаллы размером всего несколько нанометров обладают оптическими и электронными свойствами, которые полностью отличаются от частиц большего размера. Квантовые точки привлекательны отчасти из-за проявляемых ими квантово-механических эффектов, из-за чего эти крошечные частицы получили прозвище «искусственные атомы».
Считается, что квантовые точки обладают промежуточными свойствами между объемными полупроводниками и дискретными атомами или молекулами.
Когда квантовые точки освещаются ультрафиолетовым светом, электроны переходят в более высокие энергетические состояния. В полупроводниковых квантовых точках этот процесс соответствует переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости. Когда электрон возвращается в валентную зону, он выделяет световую энергию. Это световое излучение называется фотолюминесценцией. Интересно, что цвет излучаемого света меняется в зависимости от разницы энергий квантовых точек, и это свойство делает квантовые точки важными для приложений.
Оптические и электрические свойства квантовых точек изменяются по мере изменения их размера и формы. Вообще говоря, квантовые точки диаметром 5-6 нанометров излучают более длинноволновое излучение, например оранжевое или красное, тогда как квантовые точки диаметром 2-3 нанометра излучают свет с более короткой длиной волны, включая синий и зеленый цвета. Точный внешний вид этих цветов зависит от химического состава квантовых точек. Эти свойства делают квантовые точки потенциально применимыми во многих областях высоких технологий, включая одноэлектронные транзисторы, солнечные элементы, светодиоды, лазеры, источники одиночных фотонов, генерацию второй гармоники, квантовые вычисления, исследования биологических клеток, микроскопию и медицинскую визуализацию. и т. д.
Широкий потенциал применения квантовых точек делает их незаменимым инструментом во многих научных исследованиях.
Существуют различные процессы подготовки квантовых точек, включая коллоидный синтез, самосборку и внешнюю электрическую стимуляцию. Коллоидный синтез является одним из наиболее часто используемых методов и обычно включает нагревание раствора, вызывающее разложение исходных материалов, образование мономеров и образование нанокристаллов. Температура и концентрация мономера являются ключевыми факторами, влияющими на рост кристаллов. Во время этого процесса активированные атомы перестраиваются и кристаллизуются, влияя на свойства конечной квантовой точки.
В практических приложениях квантовым точкам часто требуются дополнительные слои для повышения их эффективности. Эти дополнительные слои снижают риск безызлучательной рекомбинации, тем самым увеличивая квантовый выход фотонов. Среди различных гетероструктур с квантовыми точками структуры типа I включают полупроводниковое ядро, обернутое вторым материалом, тогда как структуры типа II обеспечивают пространственное разделение носителей заряда, тем самым увеличивая яркость.
Типичной структурой квантовых точек является система CdSe/ZnS, сочетание материала ядра и оболочки которой позволяет этим нанокристаллам эффективно излучать свет.
Что касается изготовления квантовых точек, то помимо коллоидного синтеза все большую популярность приобретает и плазменный синтез. Этот метод особенно подходит для производства ковалентно связанных квантовых точек. С помощью атермальной плазмы ученые могут контролировать форму, размер и состав квантовых точек. Традиционным методом производства является двойное впрыскивание при высокой температуре, которое может поддерживать массовое производство, но поддержание стабильности и качества в ходе производственного процесса является непростой задачей.
С развитием технологий многие компании начали исследовать материалы с квантовыми точками, не содержащие тяжелых металлов, которые не только отвечают требованиям защиты окружающей среды, но и близки по производительности к традиционным квантовым точкам CdSe. Развитие технологии квантовых точек преобразует многие отрасли, такие как технологии отображения и биомедицинская визуализация.
Из соображений здоровья и окружающей среды разработка квантовых точек, не содержащих тяжелых металлов, является главным приоритетом, включая сотрудничество микроорганизмов и применение разнообразных материалов.
В целом квантовые точки мерцают как «искусственные атомы» и обещают открыть новые возможности для технологий будущего. Они не только улучшают наше понимание микроскопического мира, но и способствуют внедрению новых технологий. Означает ли это, что квантовые точки станут повсеместной технологией в ближайшем будущем?
