Скачать 76.52 Kb.
|
Старков Андрей Владимирович Quantum dots: definition, synthesis, use Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. Научный руководитель: Слаповская Юлия Петровна, к.т.н., доцент кафедры ЭПУ The development of nanoscaled electronics is impossible without considering quantum-mechanical phenomena. The article discusses examples of using quantum limit effects - the dependence of the energy spectrum of the quantum dot on its size. This phenomenon gives a huge potential for practical applications of quantum dots . The article describes the classification of quantum dots depending on their size, shape and composition, as well as a method of synthesis of colloidal quantum dots . This article also includes an overview of applications and the latest scientific and commercial projects in this direction. Термин «нанотехнология» впервые предложил в 1974 году японский физик Норио Танигучи ( Norio Taniguchi) из Токийского университета [1, с 25]. Нанотехнология (по Н. Танигучи) – это технология объектов, размеры которых составляют порядка 10-9 м (атомы, молекулы), включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой. Существует также другое определение. Нанотехнология (по Дрекслеру) – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении. В результате объекты получают принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба [1,с.13]. Реально диапазон рассматриваемых объектов довольно широк - от отдельных атомов (размером менее 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 109 атомов и имеющих размеры даже более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из небольшого числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляется дискретная атомно-молекулярная структура вещества, квантовые эффекты и энергетика развитой поверхности наноструктур. Ярким примером таких объектов могут быть квантовые точки. Коллоидные квантовые точки – полупроводниковые нанокристаллы с размером в диапазоне 2-10 нанометров, состоящие из 103-105 атомов, созданные на основе неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe и т.д., покрытые монослоем стабилизатора («шубой» из органических молекул рис. 1а). Рис 1. Квантовая точка, покрытая «шубой» стабилизатора - (а), трансформация зонной структуры полупроводника при уменьшении размера - (б). Квантовые точки по своим размерам больше традиционных для химии молекулярных кластеров (~ 1 нм при содержании не больше 100 атомов). Коллоидные квантовые точки объединяют физические и химические свойства молекул с оптоэлектронными свойствами полупроводников. Квантово-размерные эффекты играют ключевую роль в оптоэлектронных свойствах квантовых точек. Энергетический спектр квантовой точки принципиально отличается от объемного полупроводника. Электрон в нанокристалле ведет себя как в трехмерной потенциальной “яме”. Имеется несколько стационарных уровней энергии для электрона и дырки с характерным расстоянием между ними , где d – размер нанокристалла (квантовой точки). Таким образом, энергетический спектр квантовой точки зависит от ее размера (рис 1б). Это явление получило название квантового ограничения. Аналогично переходу между уровнями энергии в атоме, при переходе носителей заряда между энергетическими уровнями в квантовой точке может излучаться или поглощаться фотон. Частотами переходов, т.е. длиной волны поглощения или люминесценции, легко управлять, меняя размеры квантовой точки. Поэтому квантовые точки иногда называют «искусственными атомами». В терминах полупроводниковых материалов это можно назвать возможностью контроля эффективной ширины запрещенной зоны [2, c.3]. Классификацию квантовых точек проводят по нескольким параметрам.
С практической точки зрения важные оптические диапазоны - видимый 400-750 нм, ближний ИК 800-900 нм - окно прозрачности крови, 1300-1550 нм - телекоммуникационный диапазон.
Методы получения квантовых точек. Существует несколько способов синтеза нанокристаллов. Это могут быть подходы, основанные как на “дроблении” вещества (сверху вниз), так и на “выращивании” нанокристаллов (снизу вверх). Для синтеза коллоидных квантовых точек используются химические методы, основанные на росте нанокристаллов. Процесс получения коллоидных квантовых точек происходит следующим образом:
Кроме метода коллоидного синтеза существуют методы электронно-лучевой эпитаксии и мосгидридной газофазовой эпитаксии [3, с.127-128] Применение квантовых точек. Зависимость энергетического спектра от размера дает огромный потенциал для практического применения квантовых точек. Другой практически важной особенностью квантовых точек является способность существовать в виде золей (растворов). Это позволяет легко получать покрытия из пленок квантовых точек дешевыми методами, например центрифугирование, или нанесение квантовых точек с помощью струйной печати на любые поверхности. Все эти технологии позволяют избежать при создании устройств на основе квантовых точек дорогих вакуумных технологий, традиционных для микроэлектронной техники. Рассмотрим некоторые области применения квантовых точек. Дисплеи. В подобных системах используется оптическая накачка слоя, содержащего квантовые точки, при помощи полупроводникового синего светодиода. Преимуществом квантовых точек, в данном случае, являются высокий квантовый выход, большая фотостойкость, и возможность составлять многокомпонентый набор из квантовых точек с различными длинами эмиссии, чтобы получить более близкий к “белому” спектр излучения. В январе, на выставке CES 2013 Sony анонсировала несколько новых ЖК телевизоров с технологией подсветки «Triluminos». Новый метод подсветки должен обеспечить "насыщенные, достоверные цвета, и великолепное воспроизведение красной и зеленой частей цветового спектра". Triluminos включает в себя оптическую технологию «Сolor IQ» от американской компании QD Vision с использованием квантовых точек в качестве источников подсветки ЖК панели. Фотоэлементы. Одной из перспективных областей применения коллоидных квантовых точек является создание солнечных батарей. Например, группа корейских ученых разработала солнечную батарею с повышенным КПД и совершенной иной структурой. UNIST (Ульсанский технологический университет, глава Чо Му Чже) 4 марта 2014 года опубликовал сообщение о том, что ученые Ким Чин Ен и Пак Чон Нам впервые в мире разработали солнечную батарею с повышенным КПД, использовав окисленный цинк в жидком состоянии. Медицинские приложения – создание флуоресцентных меток на основе квантовых точек. Можно выделить следующие преимущества квантовых точек перед органическими красителями: возможность контроля длины волны люминесценции, высокий коэффициент экстинкции, растворимость в широком диапазоне растворителей, стабильность люминесценции к действию окружающей среду, высокая фотостабильность. В связи с этим квантовые точки с успехом используются в биологии для визуализации клеточных культур фибробластов эмбриона человека, визуализации злокачественных опухолей, клеток пораженных вирусом. Системы криптозащиты. В качестве элемента системы криптозащиты квантовые точки используются для создания большого количества комбинаций (кодирующих меток) в целях нанесения на различные объекты (бумага, металл, керамика, дерево, ткани) и последующего дистанционного или контактного считывания. С 2011 года российская компания «НТИЦ «Нанотех-Дубна» запустила производство коллоидных квантовых точек под торговой маркой QDlight. Таким образом, квантовые точки находят все большее применение, как в научных исследованиях, так и коммерческом производстве высокотехнологичной продукции. Рынок квантовых точек растет на 55% в год. Квантовые точки могут найти применения в оптоэлектрических системах, системах криптозащиты, в качестве биологических меток, т.е. везде, где требуются перестраиваемые по длине волны оптические свойства. Конечно, создание квантовых точек строго заданных параметров, порой, встречает некоторые трудности, так же, как и масштабирование производства, но эти проблемы с успехом решаются как российскими исследователями, так и их зарубежными коллегами. Литература
|
«Саратовский государственный технический университет имени гагарина ю. А.» Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования | Применение ферментного стабилизатора «дорзин» в дорожном строительстве Фгбоу впо «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А» | ||
Рабочая программа учебной дисциплины «Обществознание» по специальности... Фбгоу впо «саратовский государственный технический университет имени гагарина ю. А.» | Создание обучающего видеоурока по моделированию тепловых процессов... Фгбоу впо саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А | ||
Методические указания к выполнению выпускной квалификационной работы... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный... | Саратовский государственный технический университет Михеева Е. В. Информационные технологии: Учеб пособие для сред проф образования – М.: Издательский центр «Академия», 2005 | ||
Курс лекций © Саратовский Государственный Технический Университет.... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования | Санкт-Петербургский государственный морской технический университет... Рецензия на книгу: С. А. Остроумов "Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод: элементы теории и приложения" (Москва,... | ||
Российской федерации фгбоу впо «Саратовский государственный университет... | Российской федерации фгбоу впо «Саратовский государственный университет... | ||
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский... Среди азотистых веществ, входящих в состав пищевых продуктов, важнейшая роль принадлежит белкам | Биоморфизм как система образного моделирования в культуре Дм 212. 242. 12 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский... | ||
Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Ректор фгбоу впо “Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского” | Нир: “легковесная платформа управления виртуализацией” Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Саратовский государственный... | ||
Реферат По дисциплине Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М. Д. Миллионщикова | Реферат По дисциплине Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М. Д. Миллионщикова |