Квантова точка

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Квантова точка виробництва компанії Evident

Ква́нтова то́чка, також відома як напівпровідниковий нанокристал або штучний атом - кристал напівпровідника, розмір якого має порядок декількох нанометрів. Звичайно вони містять від 100 до 1,000 електронів і мають розмір з 2 до 10 нанометрів, або 10-50 атомів, в діаметрі. Для точок в 10 нанометрів в діаметрі, приблизно точки 3 мільйонів квантових точок могли б бути викладені в рад, щоб поміститися межах ширини вашого пальця.

[ред.] Конструкції квантових точок

Квантовою точкою може служити будь-який достатньо маленький шматочок металу або напівпровідника. Точка повинна бути достатньо маленькою, настільки, щоб були значними квантові ефекти. Це досягається якщо кінетична енергія електрона перевищує (\hbar^2/(2m d^2), де d — характерний розмір точки, m — ефективна маса електрона на крапці), обумовлена невизначеністю його імпульсу буде більше енергій в системі, в першу чергу більше температури, вираженої в енергетичних одиницях.

Історично першими квантовими точками, були мікрокристали селеніда кадмію CdSe. Електрон в такому мікрокристалі відчуває себе як електрон в тримірній потенційній ямі, він має багато стаціонарних рівнів енергії з характерною відстанню між ними \hbar^2/(2m d^2) (точний вираз для рівнів енергії залежить від форми точки). Аналогічно переходу між рівнями енергії атома, при переході між енергетичними рівнями квантової точки може випромінюватися фотон. Можливо також закинути електрон на високий енергетичний рівень, а випромінювання одержати від переходу між нижче розташованими рівнями (люмінесценція). Оскільки квантова точка має дискретні рівні енергії, подібні атомним, їх іноді називають "штучні атоми". При цьому, на відміну від справжніх атомів, частотами переходів легко управляти, міняючи розміри та іноді форму кристала. Саме спостереження люмінесценції кристалів селеніда кадмію з частотою люмінесценції що визначається розміром кристала і послужило першим спостереженням квантових крапок.

Флюоресценція індукована опромінюючи ультрафіолетовим світлом в кюветах, що містять квантові точки різних розмірів зроблені з селеніду кадмію (CdSe).

В даний час безліч експериментів присвячена квантовим точкам, сформованим в двомірному електронному газі. У двомірному електронному газі рух електронів перпендикулярно площини вже обмежено, а область на площині можливо виділити за допомогою металевих електродів, затворів, що накладаються на гетероструктуру зверху. Квантові точки в двомірному електронному газі можливо зв'язати тунельними контактами з іншими областями двомірного газу і вивчати провідність через квантову точку. У такій системі спостерігається явище кулонівської блокади.

[ред.] Виробництво

У напівпровідниках, квантові точки - маленькі області одного матеріалу, поховані в іншому матеріалу з більшою забороненою зоною. Квантові точки іноді відбуваються спонтанно в квантових площинах завдяки коливанням моношару в товщині площини. Само-зібрані квантові точки формуються мимовільно під певними умовами протягом молекулярної променевої епітаксії (МПЕ або MBE) і металоорганічної парової фазової епітаксії (МОПФЕ або MOVPE), коли матеріал конденсується на матеріалі, з яким не збігається крок його кристалічної решітки. Результуючий натяг приводить до когерентно напружених островів на поверхні двомірного "шару змочування". Цей метод зростання відомий як метод зростання Странського-Крастанова. Острови можуть бути згодом поховані у іншому матеріалі, щоб сформувати квантову точку. Цей метод виробництва має найбільший потенціал для застосування в квантовій криптографії (тобто джерела одиничних фотонів) і квантовому обчисленні. Головні обмеження цього методу - вартість виробництва і відсутність контролю над розташуванням індивідуальних точок.

Квантові точки як вони видимі під електронним мікроскопом

Індивідуальні квантові точки можуть бути створені технікою називаємою електронна променева літографія, в якій паттерн гравірується на підкладці напівпровідника, поверх якого наноситься провідний метал.

Квантові точки можуть бути синтезовані у великій кількості за допомогою колоїдного синтезу. Епітаксія, літографія, і колоїдний синтез все мають різні позитивні і негативні аспекти. Безумовно найдешевший, колоїдний синтез також має перевагу що він може відбуватися в умовах невеличкої лабораторії і що він найменш токсичний з усіх форм синтезу.

Надзвичайно упорядковані масиви квантових крапок також можуть бут само-зібрані електрохімічними методами. Ядро створюється за допомогою іонної реакції на поверхні метал-електроліт, яке потім приводить до спонтанної кристалізації наноструктур, зокрема квантових точок, на металі, який потім використовується як маска для меса-травлення цих наноструктур на вибраному підкладку.

Існує ще один метод, піролітичний синтез, який позволяє виробляти великі кількість квантових точок які само-збираються до бажаного розміру кристалу.

[ред.] Застосування

Тому що вони квазі-нульвимірні, квантові точки характеризуються піками густини станів на дискретних рівнях, на відміну від структур із більшою розмірністю. В результаті, вони мають покращені оптичні властивості, і досліджуються для використання в діодних лазерах, підсилювачах, і біологічних сенсорах.

Квантові точки швидко знайшли свій шлях в людські оселі як частина багатьох електронних пристроїв. Нова PlayStation 3 і програвачі DVD, що скоро вийдуть, всі використовують блакитний лазер для зчитування даних. Блакитний напівпроводниковий лазер лише декілька років тому вважався чимось неможливим, поки не був зроблений блакитний лазер на квантових точках.

Квантові точки - один з самих багатообіцяючих кандидатів для твердотільного квантового обчислення. Застосовуючи маленькі напруги до керування, можливо управляти потоком електронів через квантову точку, і таким чином точно вимірювати їхні спіни та інші властивості.

Квантовий ком'ютер, ймовірно, можна реалізувати на системі із q-бітами у вигляді квантових точок, встановивши відповідні контакти для передачі інформації між ними.

Інший додаток переднього краю квантових точок також досліджується, як потенційний штучний флюорофор для інтра-операційного виявлення пухлин, використовуючи спектроскопію флюоресценції.

У сучасному біологічному аналізі, використовуються різні види органічних барвників. Проте, з кожним роком зростає потреба в ширшому виборі їхніх кольорів, і традиційні барвники іноді просто не в можуть задовольнити необхідні норми. Тому квантові точки швидко заповнили цю нішу, перевершуючи традиційні органічні барвники за рядом властивостей, одними з негайно очевидних - їх яскравість (унаслідок високого квантового виходу), їхня стабільності, вузькість спектральних смуг та низка токсичність (зараз досліджується).

Недавно було знайдено, що квантові точки можуть виробляти три електрони від одного високоенергетичного фотона сонячного світла. Коли сьогоднішні фотоелектричні батареї поглинають фотон сонячного світла, енергія перетворюється на принаймні один електрон, і решта втрачається, розсіюючись у тепло. Використання квантових точок могло б підвищити ефективність сьогоднішніх сонячних батарей від 20-30% до 65%.

Інша робота виявила, що кристали кадмію і селену певного розміру випускають білий світ, коли збуджуються ультрафіолетовим лазером. Здається, ця емісія виходить з поверхні кристала, замість центру. Кристали містять або 33, або 34 пар атомів. Якщо вони синтезуються піролітично, вони звичайно формують кристали тільки цього розміру, отже великі масиви таких кристалів можуть бути зроблені за годину. У іншому експерименті ці квантові точки були змішані в звичайному лаку, що привело до жовтувато-білої емісії подібної до світла звичайної лампи накалювання. Дослідники вважають, що буде можливо досягти емісії білого світу через електричне стимулювання, крім фотонного.

[ред.] Дивись також

квантова дротина
квантова яма

[ред.] Посилання

З англомовної вікі

Murray, C. B., Norris, D. J., & Bawendi, M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = S, Se, Te) semiconductor nanocrystallites J. Am. Chem. Soc. 115, 8706-8715, 1993.
Wang, C., Shim, M. & Guyot-Sionnest, P. Electrochromic nanocrystal quantum dots., Science 291 2390-2392 (2001).
Michalet, X. & Pinaud, F. F. & Bentolila, L. A. & Tsay, J. M. & Doose, S. & Li, J. J. & Sundaresan, G. & Wu, A. M. & Gambhir, S. S. & Weiss, S. (2005, January 28). Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. In Science, 307, 538 – 544.
Shim, M. & Guyot-Sionnest, P. N-type colloidal semiconductor nanocrystals., NATURE 407 (6807): 981-983 OCT 26 2000
W. E. Buhro and V. L. Colvin, Semiconductor nanocrystals: Shape matters, Nat. Mater., 2003, 2, 138 139.
S. Bandyopadhyay and A. E. Miller (2001). "Electrochemically self-assembled ordered nanostructure arrays: Quantum dots, dashes, and wires", Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices,6.
High Efficiency Carrier Multiplication in PbSe Nanocrystals: Implications for Solar Energy Conversion R. D. Schaller and V. I. Klimov, Phys. Rev. Lett. 92, 186601 (2004)
Michael J. Bowers II, James R. McBride, and Sandra J. Rosenthal (2005). White-Light Emission from Magic-Sized Cadmium Selenide Nanocrystals, Journal of the American Chemical Society, October 18, 2005.