Kvantová tečka je fragment vodiče nebo polovodiče (například InGaAs , CdSe , CdS nebo GaInP/ InP ), jehož nosiče náboje ( elektrony nebo díry ) jsou prostorově omezené ve všech třech rozměrech. Velikost kvantové tečky musí být tak malá, aby kvantové efekty byly významné [1] . Toho je dosaženo, pokud je kinetická energie elektronu znatelně větší než všechna ostatní energetická měřítka: primárně větší než teplota , vyjádřená v energetických jednotkách.
Energetické spektrum kvantové tečky je diskrétní, závisí na rozměrech kvantové tečky a potenciálním energetickém profilu nosiče náboje v ní. Odhadované vzdálenosti mezi sousedními stacionárními energetickými hladinami jsou řádu (kde ħ je redukovaná Planckova konstanta , d je charakteristická velikost bodu, m je efektivní hmotnost elektronu v bodě). V důsledku toho elektronické a optické vlastnosti kvantových teček zaujímají mezilehlou pozici mezi objemovým polovodičem a diskrétní molekulou [1] .
Jednoduše řečeno, kvantová tečka je polovodič, jehož elektrické vlastnosti závisí na jeho velikosti a tvaru. Čím menší je krystal, tím větší je vzdálenost mezi energetickými hladinami. Například, když se elektron přesune na energetickou hladinu níže , je emitován foton ; protože můžeme ovládat velikost kvantové tečky, můžeme měnit energii emitovaného fotonu, což znamená, že můžeme měnit barvu světla vyzařovaného kvantovou tečkou. Hlavní výhodou kvantové tečky je možnost vysoce přesné kontroly nad její velikostí, a tím i nad její vodivostí [2] , což umožňuje vytvářet fluorofory různých barev ze stejného materiálu stejnou technikou.
Kvantové tečky různých velikostí lze sestavit do gradientních vícevrstvých nanofilmů.
Energetické spektrum kvantové tečky je určeno potenciálním energetickým profilem částice v ní a lze jej nalézt řešením trojrozměrné stacionární Schrödingerovy rovnice .
Pokud je například v oblasti , , a mimo tuto oblast, pak
,kde , , jsou přirozená čísla podobná energetickým hladinám v kvantové studni s nekonečnými stěnami .
Pokud v kulové oblasti i mimo ni (to je jedna z adekvátních aproximací pro reálné body), pak [3]
,kde je nezáporné celé číslo a je -tá odmocnina Besselovy funkce indexu polovičního čísla ; for will be , a pro ostatní existují tabulky nul [4] .
Konečně, if (trojrozměrný kvantový harmonický oscilátor , který je také dobrou aproximací pro reálné body; = konst), pak [5]
.Kvantové tečky poprvé získal v roce 1981 Alexej Ekimov [6] [K 1] a poté v roce 1983 Louis Bruce v koloidních roztocích [8] [9] . Teorii kvantových teček poprvé představil Alexander Efros v roce 1982 [10] . A. I. Ekimov, A. L. Efros a L. Bruce byli oceněni cenou R. V. Wooda (2006) za objev kvantových teček [11] . Termín „kvantová tečka“ byl vytvořen Markem Reedem .[12] . Prvními kvantovými tečkami byly mikrokrystaly CuCl pěstované ve sklenicích [6] [K 1] . V roce 1993 se objevila metoda syntézy kvantových teček ze selenidu kademnatého ve formě koloidních nanokrystalů, kde každá kvantová tečka je izolovaný objekt [13] . Fluorescenční kvantový výtěžek takových bodů byl pouze 10 % [14] . Jeho výrazného zvýšení bylo dosaženo vytvořením obalu kolem jádra.
V červnu 2013 vyšel ve Physical Review Letters článek s výsledky objevu vědců z Indian Institute of Science v Bangalore . Podle něj kvantové tečky vytvořené na bázi slitiny zinku, kadmia a síry dopované manganem svítí nejen oranžově, jak se dříve myslelo, ale luminiscují v rozsahu od tmavě zelené po červenou. Praktický význam objevu spočívá v tom, že kvantové tečky vyrobené ze slitin dopovaných manganem jsou pevnější, účinnější a bezpečnější.
Nejvíce prozkoumané jsou kvantové tečky na bázi selenidu kadmia . Ale s příchodem legislativy omezující použití materiálů na bázi těžkých kovů [15] se začaly vyvíjet technologie směrem k výrobě kvantových teček, které neobsahují kadmium.
Existují dva typy kvantových teček (podle způsobu vytvoření):
Většina vlastností QD, včetně barvy záření, závisí na velikosti, tvaru a materiálech, ze kterých jsou vyrobeny.
Kvantová tečka může být polovodičový krystal , ve kterém jsou efekty kvantové velikosti realizovány díky poměrně malé velikosti. Elektron v takovém mikrokrystalu se cítí jako elektron v trojrozměrné potenciálové jámě , má mnoho stacionárních energetických hladin s charakteristickou vzdáleností mezi nimi ; přesné vyjádření energetických hladin závisí na tvaru tečky. Podobně jako při přechodu mezi energetickými hladinami atomu může být při přechodu mezi energetickými hladinami kvantové tečky emitován foton . Je také možné vrhnout elektron na vysokou energetickou hladinu a přijímat záření z přechodu mezi níže položenými hladinami ( luminiscence ). Na rozdíl od skutečných atomů je přitom snadné ovládat přechodové frekvence změnou velikosti krystalu. Jako první pozorování kvantových teček vlastně sloužilo pozorování luminiscence krystalů selenidu kadmia s frekvencí luminiscence určenou velikostí krystalu.
V současné době se mnoho experimentů věnuje kvantovým tečkám vytvořeným ve dvourozměrném elektronovém plynu . Ve dvourozměrném elektronovém plynu je pohyb elektronů kolmý k rovině již omezen a oblast v rovině lze izolovat pomocí hradlových kovových elektrod superponovaných na heterostrukturu shora. Kvantové tečky ve dvourozměrném elektronovém plynu mohou být spojeny tunelovými kontakty s jinými oblastmi dvourozměrného plynu a lze studovat vedení kvantovou tečkou. V takovém systému je pozorován fenomén Coulombovy blokády .
Kvantová tečka se skládá z jádra a ochranného obalu vyrobeného z materiálu se širším bandgapem . Redukuje defekty na povrchu jádra, což vede ke zvýšení fluorescenčního kvantového výtěžku až o 90 %, zabraňuje degradaci kvantové tečky a uvolňování toxických iontů kadmia. Materiál jádra mohou být slitiny CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg; mušle - ZnS, CdS, ZnSe. Kvantové tečky pro biomedicínský výzkum mají ještě dvě vrstvy: stabilizátor a vrstvu inertních molekul ( peptidy , lipidy ) nebo neutrální hydroxylový obal. Stabilizátor — silikonový, polymerový nebo silikonový obal — poskytuje ochranu vnitřním strukturám před agresivními vlivy prostředí, určuje schopnost kvantových teček dispergovat se do rozpouštědel a možnost roubování různých biologicky aktivních molekul na jejich povrch, které dodají kvantové tečky požadované tkáně a buňky. Ke snížení nespecifické vazby se používají lipidy [17] .
Kvantové tečky mohou mít různé tvary a velikosti, nejčastěji se však jedná o koule o průměru 2–10 nm a skládají se z 10 3–10 5 atomů [ 1] .
Kvantové tečky jsou slibnými materiály v medicíně, biologii, optice, optoelektronice , mikroelektronice, tisku a energetice.
Koloidní kvantové tečky jsou dobrou náhradou za tradiční fosfory, organické i anorganické. Předčí je ve fotostabilitě, jasu fluorescence a mají také některé unikátní vlastnosti [18] . Optické vlastnosti těchto nanokrystalů se využívají v nejneočekávanějších aplikacích, které vyžadují pohodlnou, laditelnou luminiscenci, jako je biologický výzkum. Například kvantové tečky různých velikostí pronikají do různých částí buněk a barví je různými barvami [19] [20] .
Kvantové tečky se stále častěji používají jako biomarkery pro zobrazování v medicíně , například pro barvení nádorů nebo autoimunitních protilátek, dodávání léků do požadovaných tkání (připojením léků k nanočásticím je lze přesněji zacílit na nádory) [21] .
Až donedávna nepřicházelo o plošné použití kvantových teček v elektronice řeč, v posledních letech však řada společností uvedla na trh produkty využívající tyto nanočástice. Mezi oznámenými produkty jsou jak experimentální vzorky, tak hromadné produkty. Již v roce 2010 společnost LG Display vytvořila první prototyp displejů založených na kvantových tečkách [22] . V roce 2015 TPV Technology spolupracovala s QD Vision na vývoji a komercializaci prvního spotřebitelského monitoru 276E6ADS na bázi kvantových bodů [23] . V současné době jsou LCD panely s podsvícením kvantových bodů ( QD-LED ) instalovány ve svých televizorech společností Samsung , LG Electronics , Sony , TCL Corporation , Hisense . Existuje program pro vytváření zobrazovacích zařízení, kde samotné kvantové tečky budou fungovat jako zářiče světla [24] .
Možné aplikace kvantových teček: tranzistory s efektem pole , fotobuňky , LED , laserové diody [1] . Společnost Nexxus Lighting vydala v roce 2009 LED lampu využívající kvantové tečky [25] .
Na základě QD lze vyrobit povlaky, které změní vyzařování stávajících světelných zdrojů nebo slunečního světla, což lze aplikovat například v zemědělství pro přeměnu ultrafialového světla na červené, což je užitečné pro rostliny.
Kvantové tečky se také používají v hybridních solárních článcích jako materiál, který přeměňuje sluneční energii na stejnosměrný elektrický proud. Použití kvantových teček ve vícevrstvých solárních článcích umožňuje dosáhnout efektivnější absorpce slunečního záření, protože mohou absorbovat světlo v širším rozsahu (včetně infračerveného a ultrafialového) než tradiční solární články [26] .
UbiQD, Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie, Los Alamos National Laboratory vyvíjejí luminiscenční solární koncentrátor (LSC) založený na kvantových tečkách [27] [28] .
Kvantové tečky mohou být zahrnuty do inkoustu pro ochranu dokumentů a cenných papírů před falšováním [29] [30] .
Kvantové tečky jsou jedním z hlavních kandidátů na reprezentaci qubitů v kvantových počítačích .
V ropném a plynárenském průmyslu se kvantové tečky používají v technologii horizontálních značek vrtů GeoSplit [31] .
Existují dvě hlavní metody pro vytváření kvantových teček: epitaxe a koloidní syntéza .
Epitaxe je metoda pěstování krystalů na povrchu substrátu:
Převážně sloučeniny jsou pěstovány z prvků III (Ga, Al, In) a V (As, P, Sb) skupiny periodické tabulky - A III B V. Na základě takových QD byly vytvořeny polovodičové lasery a mikrovlnné tranzistory.
Koloidní syntéza , při které se látky mísí v roztoku. Pomocí koloidní syntézy je možné získat nanokrystaly potažené vrstvou adsorbovaných povrchově aktivních molekul. Jsou tedy rozpustné v organických rozpouštědlech a po modifikaci i v polárních rozpouštědlech. Zvláště zajímavé jsou fluorescenční kvantové tečky získané koloidní syntézou, například kvantové tečky na bázi chalkogenidů kadmia v závislosti na své velikosti fluoreskují různými barvami.
Kvantové tečky pro displeje vyrábí společnost Nanosys. Svou technologii QDEF (Quantum Dot Enhancement Film) představila na výstavě Society for Information Display (SID).) v roce 2011. Prvními držiteli licence na tuto technologii byly Samsung Electronics a 3M .
V roce 2004 byla založena QD Vision Laboratory (USA, Lexington (Massachusetts) ) za účelem vývoje technologie QLED . Původně měla vyrábět přímo subpixely matice displeje z kvantových bodů, ale tato technologie se ukázala jako složitá a nákladná a společnost se soustředila na zlepšení podsvícení LCD displejů založených na kvantových bodech [32] . Technologie se podařilo zavést do výroby televizorů díky spolupráci s LG, Sony, TCL Group a Samsungem, který QD Vision koupil v roce 2016 [33] .
Nanoco má vlastní technologii na výrobu kvantových teček bez obsahu kadmia, založená v roce 2001 v Manchesteru . Společnost vyrábí fólie CFQD ® pro displeje a zahradnické osvětlení [34] . Jeho továrna se nachází v Runcorn .
Materiály QD vyrábí Dow Chemical . V roce 2013 získala od Nanoco licenci na výrobu, prodej a prodej svých materiálů. Do roku 2015 společnost Dow Chemical vybudovala závod v Cheonan (Jižní Korea) a zahájila výrobu kvantových teček bez kadmia [35] . Místo toho se používá indium . První televizory s touto technologií představily společnosti Samsung a LG na CES 2015.
Skupina Merck vyvíjí vlastní technologii QD[36] .
V Rusku v letech 2011–2014 vyrábělo kvantové tečky pod značkou QDLight mikropodnikové vědecké a technologické testovací centrum Nanotech-Dubna v rámci společného projektu s RUSNANO a Federal State Unitary Enterprise Research Institute of Applied Acoustics [37] [ 38] . V roce 2017 byla zlikvidována [39] .
Kvantové tečky pro vytváření solárních článků vyrábí společnost Quantum Materials Corporation a její dceřiná společnost Solterra Renewable Technologies pomocí vlastní patentované technologie [26] a QD Solar.
![]() | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
|