Квантовые точки: маленькие, да удаленькие

По ряду причин полупроводниковые квантовые точки не так явно представлены в истории нанотехнологий, во всяком случае, по сравнению о сканирующей туннельной микроскопией, молекулярно-лучевой эпитаксией или углеродными нанотрубками. Однако развитие квантовых точек происходит по крайней мере не меньшее время, чем каждого из этих гигантов нанотехнологий, и является целью такого же количества исследований. И хотя в них, возможно, отсутствует природная эстетическая геометрия, найденная в нанотрубках (и фуллеренах, и графенe), сам факт того, что кантовые точки могут быть получены из различных элементов и приобретать различных формы и размеры, во многих случаях дает им преимущество над узкопрофильными углеродными материалами. Это отражается в числе фундаментальных исследований, которые можно выполнить с помощью квантовых точек, ширине потенциальных применений этих материалов – и, конечно, в патентных спорах

Валентина Уточникова

Обобщая, можно выделить две группы квантовых точек: химики предпочитают «мокрые» методы для получения относительно больших объемов коллоидных квантовых точек, которые обычно пассивируются органическими молекулами на поверхности. Физики же предпочитают работать с эпитаксиальными квантовыми точками или самоупорядоченными КТ на подложке. Также можно получить квантовую точку, поймав отдельную молекулу или наночастицу между двумя электродами, присоединяя электроды к нанотрубке или графену или изменяя уровень легирования монокристалла полупроводника. Еще большего разнообразия можно достигнуть за счет того, что, например, заключенная между электродами наночастица может быть металлической, ферромагнитной или сверхпроводящей.

Важные характеристики квантовых точек включают то, что уровни энергии, занимаемые носителями заряда, квантуются, подобно тому как происходит в молекулах и атомах, а растояние между валентной зоной и зоной проводимости растет с уменьшением их размера, что уменьшает длину вольны их люминесценции. Электрон-электронные взаимодействия также усиливаются, начинают наблюдаться одноэлектронные эффекты, такие как кулоновская блокада, и меняются химические свойства, такие как окислительно-восстановительный потенциал.

Рис. 1

Изучение коллоидных квантовых точек началось в начале 1980-х годов, а Луи Брю (тогда сотрудник лаборатории Белла, а сейчас – университета Колумбии) даже был награжден первой Премией Кавли в области нанотехнологий в 2008 году за свои пионерские исследования в этой области. Они в течение многих лет широко использовались в биомедицинских применениях, и недавно исследователи открыли метод «включения-выключения» люминесценции квантовых точек. Позже оптические свойства квантовых точек для улучшения эффективности светодиодов получения более естественно света, и были исследованы возможности их применения в камерах, дисплеях и для солнечной энергетики. Основной задачей для всех компаний, имеющих дело с коллоидными квантовыми точками, является отказ от токсичных материалов, таких как кадмий.

Исследования в области эпитаксиальных квантовых точек явились действительно прорывом, который начался с изучения двумерных электронных газов в многослойных полупроводниковых устройствах, а затем продолжились экспериментами по квантовым нанопроволокам, и наконец в конце 1980-х годов завершились нульмерными структурами. Сам термин «квантовая точка» принадлежит Марку Риду, который ввел его в своей публикации в 1988 году.

Рис. 2

Исследования в этой области активно продолжаются до их пор. Так, Герасимос Константатос и Эдвард Сарджент используют коллоидные квантовые точки и металлические наночастицы для детектирования фотонов (Рис. 1). Создание конкурентоспособных детекторов включает оптимизацию такого ряда факторов, как поглощение, время отклика и уровень шума.

Сильвано ди Франчеши с сотрудниками проводят эксперименты по самосборке кремний-германиевых квантовых точек на подложке из кремния (Рис. 2), поскольку для создания новых устройств для применений в электронике и спинтронике необходимо лучшее понимание поведения носителей заряда (в данном случае дырок) в таких квантовых структурах. Создание однофотонных излучателей является еще одной интенсивно развивающейся областью.

Но вне зависимости от того, как или для чего они получены, у квантовых точек в наноэлектронике явно более яркое будущее, чем было прошлое.

Валентина Уточникова

http://www.nanometer.ru/…_214355.html