Квантовые точки и нанокристаллы

Квантовые точки — это полупроводниковые нанокристаллы, достаточно малые для того, чтобы ограничение их электронов приводило к зависимости их оптических и электронных свойств от размера, так что цвета поглощения и излучения могут быть настроены путем контроля роста кристаллов.

Definition

Квантовая точка — это полупроводниковый нанокристалл, обычно размером в несколько нанометров, в котором носители заряда ограничены во всех трех измерениях, так что его электронные энергетические уровни являются дискретными и зависят от размера, что придает ему оптические свойства, промежуточные между молекулой и объемным твердым телом.

Scope

Эта тема охватывает нульмерные полупроводниковые нанокристаллы: физику квантового ограничения, которая расширяет эффективную запрещенную зону по мере уменьшения размера; коллоидный горячий впрыск и связанные с ним синтезы, которые производят почти монодисперсные кристаллы контролируемого размера и формы; структуры типа «ядро-оболочка», улучшающие эмиссию; химию поверхностных лигандов; и оптические свойства — фотолюминесценцию, настраиваемую по размеру, и резкое экситонное поглощение — которые делают их полезными.

Core questions

• Как квантовое ограничение делает свойства нанокристаллов зависимыми от размера?
• Как синтезируются монодисперсные нанокристаллы в растворе?
• Почему структуры типа «ядро-оболочка» улучшают излучение квантовых точек?
• Как химия поверхностных лигандов влияет на стабильность и функцию нанокристаллов?

Key concepts

• Квантовое ограничение
• Радиус Бора экситона
• Синтез горячим впрыском
• Нанокристаллы типа «ядро-оболочка»
• Поверхностные лиганды
• Фотолюминесценция, настраиваемая по размеру

Key theories

Квантовое ограничение и настраиваемая по размеру запрещенная зона

Когда полупроводниковый кристалл меньше естественного размера экситона, носители заряда ограничены, и разрешенные энергии становятся дискретными; эффективная запрещенная зона увеличивается по мере уменьшения кристалла, поэтому излучение и поглощение непрерывно смещаются с размером частицы.

Коллоидный синтез и контроль формы

Быстрое зарождение с последующим контролируемым ростом в горячих координирующих растворителях дает почти монодисперсные нанокристаллы; варьирование поверхностно-активных веществ и условий контролирует форму и открытые грани, настраивая оптические и поверхностные свойства.

Mechanisms

Фотовозбуждение создает ограниченную электронно-дырочную пару (экситон), рекомбинация которой излучает фотон с энергией, определяемой ограниченной запрещенной зоной; поверхностные ловушки и оборванные связи открывают безызлучательные пути, которые пассивируются оболочкой с более широкой запрещенной зоной для повышения эффективности излучения.

Clinical relevance

Настраиваемое по размеру, яркое, фотостабильное излучение делает квантовые точки ценными в подсветке дисплеев и электролюминесцентных экранах, в флуоресцентной маркировке и биоизображениях, а также в качестве поглотителей и излучателей света в фотовольтаике и светоизлучающих устройствах.

History

Брус в начале 1980-х годов объяснил зависимость оптических спектров нанокристаллов от размера в терминах квантового ограничения. Разработка коллоидного синтеза горячим впрыском в 1990-х годах Бавенди и другими привела к получению почти монодисперсных, высококачественных нанокристаллов, а обзор Аливисатоса 1996 года консолидировал эту область, что привело к появлению коммерческих дисплеев на квантовых точках и зондов для биоизображений.

Key figures

• A. Paul Alivisatos
• Louis Brus
• Moungi Bawendi

Seminal works

• alivisatos1996
• elsayed2005

Frequently asked questions

Что означает «квантовый» в термине «квантовая точка»?

Это относится к квантовому ограничению: точка достаточно мала, чтобы волнообразные электроны и дырки были сжаты в пространстве, сопоставимом с их естественным размером, что квантует их энергию в дискретные, зависящие от размера уровни, а не в непрерывные зоны объемного кристалла.

Почему квантовые точки типа «ядро-оболочка» ярче, чем голые ядра?

Поверхностные атомы голого нанокристалла имеют ненасыщенные связи, которые захватывают носители заряда и гасят излучение. Выращивание тонкой оболочки из полупроводника с более широкой запрещенной зоной ограничивает носители заряда внутри ядра и пассивирует поверхность, резко увеличивая долю возбуждений, которые излучают свет.